摘 要：已成為PC標準的通用串行總線(xiàn)USB為多點(diǎn)數據采集提供了很大的便利，利用USB可以實(shí)現較傳統方式更有效、更經(jīng)濟、點(diǎn)數更多的數據采集。本文介紹了如何利用USB接口來(lái)實(shí)現多點(diǎn)數據采集。

　　關(guān)鍵詞：USB RS485 數據采集

　　在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機對各種數據進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對各種數據進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等�，F在常用的采集方式是通過(guò)數據采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線(xiàn)板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。而通用串行總線(xiàn)（Universal Aerial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB）的出現，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數據采集。

　　1、USB簡(jiǎn)介

　　USB是一些PC大廠(chǎng)商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準，自1995年在Comdex上亮相以來(lái)至今已廣泛地為各PC廠(chǎng)家所支持�，F在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對USB的支持。

　　1.1 USB系統的構成

　　USB系統主要由主控制器（Host Controller）、USB Hub 和USB外設（Peripherals Node）組成系統拓撲結構。

　　1.2 USB的主要優(yōu)點(diǎn)

　　#183；速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s.

　　#183；設備安裝和配置容易。安裝USB設備不必再打開(kāi)機箱，加減已安裝過(guò)的設備完全不用關(guān)閉計算機。所有USB設備支持熱拔插，系統對其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過(guò)去的跳線(xiàn)和撥碼開(kāi)關(guān)設置。

　　#183；易于擴展。通過(guò)使用Hub擴展可撥接多達127個(gè)外設。標準USB電纜長(cháng)度為3m（5m低速）。通過(guò)Hub或中繼器可以使外設距離達到30m.

　　#183；能夠采用總線(xiàn)供電。USB總線(xiàn)提供最大達5V電壓、500mA電流。

　　#183；使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸（control）、同步傳輸（Synchronization）、中斷傳輸（interrupt）、批量傳輸（bulk），以適應不同設備的需要。

　　2、采用USB傳輸的數據采集設備

　　2.1 硬件組成

　　一個(gè)實(shí)用的USB數據采集系統包括A/D轉換器、微控制器以及USB通信接口。為了擴展其用途，還可以加上多路模擬開(kāi)關(guān)和數字I/O端口。

　　系統的A/D、數字I/O的設計可沿用傳統的設計方法，根據采集的精度、速率、通道數等諸元素選擇合適的芯片，設計時(shí)應充分注意抗干擾的性能，尤其對A/D采集更是如此。

　　在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機加上專(zhuān)用的USB通信芯片�，F在的專(zhuān)用芯片中較流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。筆者曾經(jīng)采用Atmel公司的89c51單片機和USBN9602芯片構成系統，取得了良好的效果。這種方案的設計和調試比較麻煩，成本相對而言也比較高。

　　另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機。隨著(zhù)USB應用的日益廣泛，Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片廠(chǎng)商都推出了具備USB通信接口的單片機。這些單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D，構成系統的電路簡(jiǎn)單，調試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機是構成USB數據采集系統較好的方案。不過(guò)，由于具備了USB接口，這些芯片與過(guò)去的開(kāi)發(fā)系統通常是不兼容的，需要購買(mǎi)新的開(kāi)發(fā)系統，投資較高。

　　USB的一大優(yōu)點(diǎn)是可以提供電源。在數據采集設備中耗電量通常不大，因此可以設計成采用總線(xiàn)供電的設備。

　　2.2 軟件構成

　　Windows98 提供了多種USB設備的驅動(dòng)程序，但好象還沒(méi)有一種是專(zhuān)門(mén)針對數據采集系統的，所以必須針對特定的設備來(lái)編制驅動(dòng)程序。盡管系統已經(jīng)提供了很多標準接口函數，但編制驅動(dòng)程序仍然是USB開(kāi)發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來(lái)實(shí)現。目前有許多第三方軟件廠(chǎng)商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driver works，Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內生成高質(zhì)量的USB的驅動(dòng)程序。

　　設備中單片機程序的編制也同樣困難，而且沒(méi)有任何一家廠(chǎng)商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩定、完善的單片機程序直接關(guān)系到設備性能，必須給予充分的重視。

　　以上兩個(gè)程序是開(kāi)發(fā)者所關(guān)心的，用戶(hù)不大關(guān)心。用戶(hù)關(guān)心的是如何高效地通過(guò)鼠標來(lái)操作設備，如何處理和分析采集進(jìn)來(lái)的大量數據，因此還必須有高質(zhì)量的用戶(hù)軟件。用戶(hù)軟件必須有友好的界面，強大的數據分析和處理能力以及為用戶(hù)提供進(jìn)行再開(kāi)發(fā)的接口。

　　3、實(shí)現USB遠距離采集數據傳輸

　　傳輸距離是限制USB在工業(yè)現場(chǎng)應用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過(guò)幾十米，這對工業(yè)現場(chǎng)而言顯然是太短了。

　　現在工業(yè)現場(chǎng)有大量采用RS－485傳輸數據的采集設備。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達到1200米以上，并且可以?huà)旖佣鄠�(gè)設備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線(xiàn)方式，設備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS－485的優(yōu)勢所在。如果能將兩者結合起來(lái)，優(yōu)勢互補，就能夠產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠距離數據采集系統。

　　這種系統的基本思想是：在采集現場(chǎng)，將傳感器采集到的模擬量數字化以后，利用RS－485協(xié)議將數據上傳。在PC端有一個(gè)雙向RS－485～USB的轉換接口，利用這個(gè)轉接口接收485的數據并通過(guò)USB接口傳輸至PC機進(jìn)行分析處理。而主機向設備發(fā)送數據的過(guò)程正好相反：主機向USB口發(fā)送數據，數據通過(guò)485～USB轉換口轉換為485協(xié)議向遠端輸送。

　　需要特別說(shuō)明的是，在485～USB轉換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅動(dòng)能力等）完全一樣，也就是說(shuō)，一個(gè)485～USB轉換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時(shí)具有安裝方便、不受插槽數限制、不用外接電源等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)和科研數據采集提供了一條方便、廉價(jià)、有效的途徑。

　　4、綜合式采集數據傳輸系統的實(shí)現

　　現在的數據采集系統通常有分布式和總線(xiàn)兩種。采用USB接口易于實(shí)現分布式，而485接口則易于實(shí)現總線(xiàn)式，如果將這兩者結合起來(lái)，則能夠實(shí)現一種綜合式的數據采集系統。實(shí)現方法是：仍然利用上面提到過(guò)的USB～485轉換器實(shí)現兩種協(xié)議的轉換。由于USB的數據傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線(xiàn)上仍然可以?huà)旖佣鄠�(gè)設備，其中D代表一個(gè)設備。

　　這種傳輸系統適用于一些由多個(gè)空間上相對分散的工作點(diǎn)，而每個(gè)工作點(diǎn)又有多個(gè)數據需要進(jìn)行采集和傳輸的場(chǎng)合，例如大型糧庫，每個(gè)糧倉在空間上相對分散，而每個(gè)糧倉又需要采集溫度、濕度、二氧化碳濃度等一系列數據。在這樣的情況下，每一個(gè)糧倉可以分配一條485總線(xiàn)，將溫度、濕度、二氧化碳濃度等量的采集設備都掛接到485總線(xiàn)上，然后每個(gè)糧倉再通過(guò)485總線(xiàn)傳輸到監控中心，并轉換為USB協(xié)議傳輸到PC機，多個(gè)糧倉的傳輸數據在轉換為USB協(xié)議后可以通過(guò)Hub連接到一臺PC機上。由于糧倉的各種數據監測實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此采用這種方法可以用一臺PC機完成對一個(gè)大型糧庫的所有監測工作。

　　5、前景展望

　　USB設備的應用目前在國外處于高速發(fā)展階段，在國內的應用已經(jīng)起步。我們在USB數據采集、USB工業(yè)控制等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，在現實(shí)中得到成功的應用。

　　即將出臺的USB2.0協(xié)議，數據傳輸速率高達480Mbps，如此高的傳輸速率能用于1.0的傳輸速率所無(wú)法滿(mǎn)足的地方，如高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)設備控制、動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸等。隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應用。