正離子靜電加速器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生能量較高的γ﹑X和快中子等多種放射性輻射，對周圍的環(huán)境造成污染，對生命造成危害^[1]。由于其體積龐大，輻射范圍廣，需設(shè)計(jì)一個(gè)多探測端的多通道同步核輻射監(jiān)測系統(tǒng)，針對加速器周圍環(huán)境進(jìn)行輻射防護(hù)監(jiān)測。每個(gè)探測端屬于一個(gè)探測通道，它們相互獨(dú)立。各通道將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)（主控計(jì)算機(jī)）。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示各個(gè)探測端的輻射強(qiáng)度及吸收劑量。

    若采用串口（RS232）實(shí)現(xiàn)多通道傳輸，各通道每次向上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量大（16K），而串口傳輸速度慢，花費(fèi)的時(shí)間長。在通信過程中，相應(yīng)通道進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，不能夠再采集新的信號，更加嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的探測效率。于是就采用CH375構(gòu)成的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。速率可提高到1Mbit/s以上。同時(shí)USB所具有的即插即用、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)^[2,3]也極大地改善了接口的使用性能。

1 CH375模塊^[4]簡介

    USB模塊CH375是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，用戶無需編寫驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿足USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。具有8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、 寫（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），可以方便地掛接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，單片機(jī)通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)；為高電平時(shí)選擇命令端口，可以向其寫入命令。

    在本地端，單片機(jī)對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令（其命令格式參考文獻(xiàn)3）給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。

    將CH375芯片的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到上位機(jī)中，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其進(jìn)行操作，對USB設(shè)備的通信就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。

2 具有多個(gè)USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    圖1是加速器的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。是個(gè)具有多個(gè)USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可安裝連接多個(gè)探測端（最多128個(gè)）。監(jiān)測不同的放射性輻射時(shí)，裝配相應(yīng)的探測器。每個(gè)探測通道的工作原理及電子線路都相同，分別連接到USB擴(kuò)展卡上。多道分析器采用高性能AVR單片機(jī)ATmega128作為控制器。ATmega128運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，機(jī)器周期為1個(gè)時(shí)鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時(shí)可達(dá)到16MIPS的性能^[5]。用其控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把探測器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接收的數(shù)字量，進(jìn)行存儲(chǔ)，等待上位機(jī)的讀取。

圖1加速器多通道核輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    單一探測通道，用CH375構(gòu)成的USB接口電路原理如圖2所示。各通道接收到上位機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令后，由ATmega128控制將所有探測數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機(jī)。

圖2  CH375構(gòu)成的USB接口電路原理圖

3 多個(gè)通道USB接口的軟件設(shè)計(jì)

    各通道的USB模塊CH375在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與其本地端單片機(jī)ATmega128之間提供了端對端的連接。統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進(jìn)行通信，所有的通信都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束。單一通道完整的通信過程包括：

① 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH375；

② CH375以中斷方式通知單片機(jī)。

③ 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取CH375的中斷狀態(tài)并分析；

④ 如果是上傳（上傳緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)成功讀?。?，則釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；

⑤ 如果是下傳（下傳緩沖區(qū)成功接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)），則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊；

⑥ 分析接收到的數(shù)據(jù)塊，如果是數(shù)據(jù)請求上傳命令，準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)）；

⑦ 單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序；

⑧ CH375將采集數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)；

⑨ 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束；

    該通訊方式具有數(shù)據(jù)自動(dòng)同步、程序設(shè)計(jì)簡單、較好的交互性和可控性等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)定時(shí)以此方式順次訪問各通道，獲取各通道采集到的數(shù)據(jù)。

3.1 單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)

   各通道單片機(jī)端程序設(shè)計(jì)相同。ATmega128中斷1（INT1）作為USB的中斷入口（參考圖2），采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式，其中斷1服務(wù)處理程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)端ATmega128中斷服務(wù)處理程序流程圖

    采用C語言編程，編寫單片機(jī)端ATmega128中斷1服務(wù)處理程序的基本框架如下所示：

void int1_isr (void)         //USB中斷入口程序

{

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS)； //向CH375發(fā)送中斷狀態(tài)獲取命令

InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT()；//獲取中斷狀態(tài)，并通知CH375取消中斷請求

// 分析中斷狀態(tài)，并做相應(yīng)處理               

if ( InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT) // 數(shù)據(jù)下傳

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA )；// 向CH375發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令

RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT( )；//從CH375下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊

……… //分析接收到的數(shù)據(jù)塊

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7)； // 向CH375發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令

CH375_WR_DAT_PORT( DATA)；// 將采集數(shù)據(jù)DATA寫入CH375數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)

return；

}

If(InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN) // 數(shù)據(jù)上傳

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_UNLOCK_USB )；// 釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)

    return；

}

}

3.2 計(jì)算機(jī)端的程序設(shè)計(jì)

    采用Visual C++作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸為例，計(jì)算機(jī)端程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。USB設(shè)備1即指通道1；USB設(shè)備2即指通道2。

圖4 計(jì)算機(jī)端兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)流程圖

    利用MFC（微軟基礎(chǔ)類）定時(shí)器函數(shù)^[6]，計(jì)算機(jī)定時(shí)順序訪問兩通道，獲取采集數(shù)據(jù)。編寫計(jì)算機(jī)端定時(shí)中斷處理程序的基本框架如下所示：

OnTimer(UINT nIDEvent)  //定時(shí)函數(shù)入口

{

if (CH375OpenDevice(0 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) // 打開USB設(shè)備1（通道1 USB模塊CH375），返回句柄，出錯(cuò)無效

………

if (CH375OpenDevice(1 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) //打開USB設(shè)備2

………

if ( CH375WriteData( 0, WriteBuf, &length) ) //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備1，成功發(fā)送后返回真。WriteBuf指向放置準(zhǔn)備寫出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元，輸入時(shí)為準(zhǔn)備寫出的長度，返回后為實(shí)際寫出的長度。

………

if ( CH375ReadData( 0, ReadBuf, & length) ) //從USB設(shè)備1讀取采集數(shù)據(jù)，成功讀取后返回真。ReadBuf為指向用于保存讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元，輸入時(shí)為準(zhǔn)備讀取得長度，返回后為實(shí)際讀取得長度。

………

CH375CloseDevice( 0 )； //關(guān)閉USB設(shè)備1

if ( CH375WriteData( 1, WriteBuf, &length) ) //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備2

………

if ( CH375ReadData( 1, ReadBuf, & length) ) //從USB設(shè)備2讀取采集數(shù)據(jù)

………

CH375CloseDevice( 1 )； //關(guān)閉USB設(shè)備2

}

4 結(jié)束語

    采用CH375進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸速率高，達(dá)到1Mbit/s以上。而且無需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫即可實(shí)現(xiàn)多通道USB接口與PC機(jī)通信。研發(fā)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常方便的從RS232總線轉(zhuǎn)向USB總線，彌補(bǔ)其速度慢的缺點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)升級。并且USB所具有的各種優(yōu)越性能，也必將使這種接口電路在數(shù)據(jù)傳輸中得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
[1]謝一岡,陳昌,王曼,等. 粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2003. 529-532.
[2]周建斌,黃錦華. USB接口技術(shù)在核譜測量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù). 2004, 24(5). -506 -510
[3]胡榮強(qiáng),郝艷杰. USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2005,21(1).-51-52
[4]南京沁恒電子有限公司. USB總線接口芯片CH375. http://www.Winchiphead.com, 2005
[5]宋建國. AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2000. 22-26
[6]David Simon, 周瑜萍,等. Visual C++ 6編程寶典[M].電子工業(yè)出版社, 2005.314-317