基于USB协议的科氏流量计手抄器设计

　　0　引言

　　目前科里奥利质量流量计中手抄器和质量流量计变送器之间的通讯采用HART协议,而手抄器和PC机之间的通讯则通过一个HART/RS-232 的协议转换器连接。在对HART协议智能仪表的校准和检验过程中,工作人员经常需要使用HART协议手操器以及其他一些标准的仪器设备才能完成。其中操作 过程比较复杂,对工作人员的要求比较高。并且由于HART协议手抄器和PC通信必须有4~20mA的负载电流,使用也不太方便。

　　近年来,串行总线USB得到了广泛的应用,由于USB总线传输速度快、占用资源少以及真正意义上的即插即用等优点,对传统的串口总线产生了很大 的冲击,以至于现有PC外围接口中不配置串口的情况越来越普遍并得到认可。通用串行总线USB是一种非常高速的串行通信总线;在USB1.1[1]标准中 定义的传输速率为低速1.5Mb/s和全速12Mb/s,而于2000年4月发布的USB2.0[2]标准定义的最高传输速率高达480Mb/s。并且由 于其具有连接灵活、可热插拔、低功耗、低成本、高可靠性等特点,在嵌入式设备之间和嵌入式设备和PC之间的通信中应用越来越广泛。

　　1　USB协议用于科里奥利质量流量计通讯的可行性

　　大量的工业仪表对测量精度是非常敏感的,同样我们设计的科里奥利质量流量计也属于这样的一种仪表。由前所叙,如果采用HART协议,在一个信号 周期中,通信信号的平均值为0,从而不对4~20mA的模拟信号产生影响,这是采用HART协议通讯不影响测量精度的理论前提。USB通讯则是一种基于中 断机制的通讯方式,每次USB的通讯由USB主机主动发起,而当作为USB设备的从设备接收到USB主机发送的数据时,会产生一个USB数据接收的中断信 号。当然这还和硬件设计相关,对USB数据的接收,也可以采取查询的方式,但这是一种降低效率的方式,不值得推荐。我们可以在USB中断发生时,在USB 中断服务程序中,只对一个USB标志位置位,而把USB数据的接收和相关的处理放到后台处理,这样就不会影响仪表测量的精度。

　　在我们设计的科里奥利质量流量计中,作为USB下位机的变送器所采用的MCU芯片是一款专门针对工业仪表而设计的芯片,对中断的响应速度非常 快。在我们设计的科里奥利质量流量计中,所能测量的最高频率为200Hz,对数据的测量采用中断方式,那么中断间隔的最小时间为5ms,而所采用的MCU 对中断的响应时间在μs级别,数据测量中断需要几百μs的处理时间。因此在两次间隔时间内有足够的时间对USB标志简单置位,而剩余的USB数据接收和处 理工作则放到后台进行处理,所以对测量的精度没有影响(后面会有详细的测量数据证实)。这便从理论上保证了采用USB协议作为通讯协议的可行性。