下位機與上位機之間的數據通訊，以滿足同步相量測量單元對數據傳輸高速率、低延時和高可靠性的要求。這里主要解決的是USB接口驅動程序的問題，通過編寫上位機與下位機的硬件驅動程序，實現(xiàn)利用USB接口進行ATMAGE128與上位微機之間數據傳輸的工作。

1 引言

同步相量測量單元(PMU)測量裝置與上位計算機之間的通訊速率普遍較低，不能將測量數據及時傳送到上位機進行分析處理，通訊接口已成為整個系統(tǒng)性能提高的一個瓶頸，因此有必要使用一種傳輸速率、時延、穩(wěn)定性均能滿足同步相量測量數據傳輸的通用接口。

采用USB接口作為上位機與下位機的通訊接口方式可以解決這些問題。利用USB接口中斷傳輸速率大，時延小，差錯率極低的特點來完成實時相量數據的傳輸。在USB接口的實際應用中，驅動程序的開發(fā)是最為困難的部分，由于USB接口誕生較晚，目前尚未成為多數單片微機的標準設備，還需要使用專門的接口芯片進行連接，用戶必須編寫相應的驅動程序將數據轉化為符合USB系統(tǒng)協(xié)議的格式進行傳輸。

本文敘述了ATMAGE128單片機使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口數據通訊的過程。通過驅動程序完成對相關硬件設備的操作。該驅動程序完成USB接口的中斷傳輸功能，用戶調用通用命令就可以像使用一個普通的存儲器一樣使用USB接口芯片。該接口實現(xiàn)了各采樣點的低延時上傳功能，可以在1ms內完成一個工頻周期全部采樣值的傳輸。

2 USB系統(tǒng)及其器件選擇介紹

2.1 USB體系概述

USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，為了實現(xiàn)整個計算機系統(tǒng)中總線的一致性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同開發(fā)出的一種新的、快速的、雙向的、同步傳輸的并可以熱拔插的數據傳輸總線，簡稱USB總線。USB總線由以下四個主要部分構成：①主機和設備：是指USB系統(tǒng)中的主要構件。②物理構成：是指USB元件的連接方法。③邏輯構成：不同的USB元件所擔當的角色和責任，以及從主機和設備的角度出發(fā)USB總線所呈現(xiàn)的結構。④客戶軟件與設備功能接口的關系。

USB總線有四種數據傳輸方式：①控制傳輸：主要用于主機把命令傳給設備以及設備把狀態(tài)返回給主機。②中斷傳輸：用來支持那些偶然需要少量數據通信，但服務時間受限制的設備。③批量傳輸：用來傳輸大量的數據而沒有周期和傳輸速率的設備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸的速率，但可以保證傳輸的可靠性，當出現(xiàn)錯誤的時候會要求發(fā)送方重發(fā)。④同步傳輸：以一個恒定的速率進行傳輸。同步傳輸的方式的發(fā)送和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數據的丟失。

2.2 USB器件簡介及應用

實現(xiàn)USB傳輸的方法主要有使用接口轉換芯片和專用的接口芯片兩種。前者就是將USB接口轉換為標準的RS232接口使用，在操作方式和傳輸速度上與RS232接口完全相同。后者則可以實現(xiàn)真正的USB傳輸，使用USB1.1標準的接口芯片如PDIUSBD12可以達到最高12Mb/s的傳輸速率，使用USB2.0標準的接口芯片如ISP1581則可以達到480Mb/s的傳輸速率。如果要使用專用的USB接口芯片就必須編寫相應的下位機與上位機驅動程序，由于USB傳輸不同于串口傳輸，USB傳輸的方式都是通過協(xié)議規(guī)定的數據包來完成的，所以下位機的軟件必須實現(xiàn)對接口器件的硬件管理功能，及對協(xié)議發(fā)出的各種請求作出響應。而上位機驅動程序需完成對接口芯片的枚舉、地址分配等工作。

2.3 USB接口在本系統(tǒng)中的作用

USB接口在本系統(tǒng)中用來完成下位機與上位機的通訊，具體就是連接AVR單片機與PC，將下位機采集的數據及一些相關信息傳送到PC進行處理。傳輸的數據包括：①電壓值(每周期采樣64個點，12位數據)。②電流值(每周期采樣64個點，12位數據)。③同步時間信號(取自GPS)。

上位機在接收到這些信息后將會對其進行描點，故障錄波，遠程傳送等處理。12位的電壓電流數據都要經過變換，成為16位數據，占一個字節(jié)。每通道1秒鐘傳輸的數據在6KB以上，多個通道合計，接口的傳輸速率至少要40KB/s，這一要求已經超過RS232接口所能提供的傳輸速率。如果使用CAN總線進行傳輸，則硬件設備較為復雜。綜合比較后，采用PDIUSBD12作為接口芯片進行數據傳輸是較合適的選擇。采用塑料極小封裝的PDIUSBD12可以很容易安置在電路板上。而且對上位機的要求也較為寬松，只要有USB接口的計算機都可以作為本系統(tǒng)的上位機。

3 ATMAGE128單片機 3.1 ATMAGE128單片機介紹

ATMAGE128單片機是由ATMEL公司出品的一款高性能低功耗的8位微型控制器，最高時鐘頻率可以達16MHz。片內集成有容量為128KB的閃存作為程序存儲器，4KB的EEPROM，以及4KB的片內存儲器，最高可支持64KB的片外存儲器。

3.2 開發(fā)過程簡述

TMAGE128的開發(fā)一般是由ATMEL公司提供的免費仿真工具avrstudio完成的，與常用的51單片機略有不同，使用c語言進行開發(fā)的時候必須使用第三方編譯器對源代碼進行編譯后才能在仿真環(huán)境下運行。本次采用的是iCC作為編譯器，本文所有的單片機程序都在此環(huán)境下運行調試。USB接口器件采用總線控制方式，數據傳輸形式采用中斷傳輸。USB接口器件在使用上與一個普通的外部存儲器相同，所有的控制與數據傳輸都必須對ATMAGE128中相應的寄存器進行讀寫操作才能完成。

4 USB驅動程序MCU部分

MCU即設備方控制器，可以是各類型單片機或者是PC，它們的驅動程序在結構上是類似的，而具體的代碼，由于使用的系統(tǒng)環(huán)境不同，存在較大差異，下面就詳細說明以ATMAGE128單片機作為設備方控制器的USB驅動程序結構以及具體實現(xiàn)的代碼。

4.1 程序整體結構

對于CPU而言，PDIUSBD12芯片與一個外部存儲器完全相同，CPU通過總線控制的方式對PDIUSBD12進行操作。USB接口的傳輸并不會占用許多CPU資源，CPU可以執(zhí)行前臺操作，而USB接口傳輸的工作則在后臺完成，兩者之間通過中斷服務程序連接。當PDIUSBD12 從USB 收到一個數據包，那么就對CPU 產生一個中斷請求，CPU 立即響應中斷。在ISR中固件將數據包從PDIUSBD12 內部緩沖區(qū)移到循環(huán)數據緩沖區(qū)，并在隨后清零PDIUSBD12 的內部緩沖區(qū)以使能接收新的數據包CPU 可以繼續(xù)它當前的前臺任務直到完成，然后返回到主循環(huán)檢查循環(huán)緩沖區(qū)內是否有新的數據，并開始其它的前臺任務。無論是上傳或者下載數據都是對循環(huán)緩沖區(qū)內的數據進行處理，主循環(huán)只要檢查循環(huán)緩沖區(qū)內是否有要處理的新數據。程序整體結構框圖如圖１所示。

各模塊分工如下：

(1)硬件提取層：對單片機的I/O口、數據總線等硬件接口進行操作。

(2)PDIUSBD12命令接口：對PDIUSBD12器件進行操作的模塊子程序集。

(3)中斷服務程序：當PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求時，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來的數據，并進行相關處理。

(4)標準請求處理程序：對USB的標準設備請求進行處理。

(5)廠商請求處理程序：對用戶添加的廠商請求進行處理。

(6)主循環(huán)程序：發(fā)送USB請求、處理USB總線事件和用戶功能處理等。

4.2 硬件提取層相關程序

硬件提取層執(zhí)行對單片機I/O口、數據總線等的操作，包含向PDIUSBD12發(fā)送數據或命令的子程序及從PDIUSBD12讀取數據的子程序，該部分代碼需對地址總線和數據總線進行直接操作。PDIUSBD12的任何操作都是由命令指令和數據指令組合完成的，通過改變A0引腳的電平就可以完成命令模式/數據模式的切換。

4.3 命令接口

該部分是由一系列命令接口子程序構成的，包含了所有PDIUSBD12給出的訪問功能接口的命令。在命令接口中調用了硬件提取層中的子程序。PDIUSBD12的所有功能都必須由類似的方法完成，先發(fā)送一條命令，然后寫該命令的具體參數。有的命令參數是多個字節(jié)的，如設置模式命令，此時就必須調用兩次寫數據線的指令。命令接口程序的編寫格式相對固定，按照PDIUSBD12說明書中給出的命令匯總表依次編寫即可。

4.4 中斷服務程序

中斷服務程序代碼處理由PDIUSBD12產生的中斷，它將數據從PDIUSBD12內部的緩沖區(qū)內取出，并建立正確的標志，通知主循環(huán)進行處理。當PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求后，單片機調用讀取中斷寄存器的標準命令接口子程序d12_readinterruptregister( )來決定中斷源，然后跳轉到相應的中斷服務子程序進行處理。中斷服務程序從PDIUSBD12收集數據，而主循環(huán)程序對數據進行處理。當中斷服務程序收集到足夠的數據時，它通知主程序已經做好準備等待處理。例如在發(fā)送數據包階段建立包時，中斷服務程序將建立包和數據