1 前 言
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對(duì)“一戶一表”工程改造的推進(jìn)，以及對(duì)自動(dòng)化的要求，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)已成為水、電、氣自動(dòng)化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。
采用集中抄表系統(tǒng)能夠杜絕人工抄表產(chǎn)生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯(cuò)誤,提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減員增效。一般抄表系統(tǒng)采用RS485總線，然后通過(guò)485/232模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口輪巡采集電表數(shù)據(jù)。由于串口速度慢，這成為抄表系統(tǒng)傳輸速率提高的瓶頸,而使用485/usb模塊，能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，USB 1.1規(guī)范的最高傳輸速率為12 Mb/s。USB總線除了用于外圍設(shè)備和PC機(jī)之間的連接之外，在其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，包括測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。
2 硬件設(shè)計(jì)：
模塊的硬件包括: 微控制器、RS485 總線通信接口和USB 通信接口，如圖1：
RS485定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線,每次通信只能有一個(gè)主站，適合輪巡方式通信。RS485收發(fā)器采用TI公司的75LBC184,它使用單電源供電，電壓在+3-+5.5V范圍都能正常工作，能完成TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)換。在電路中，使用了TLP521進(jìn)行隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。
USB 通信接口采用PDIUSBD12，負(fù)責(zé)與上位機(jī)和微處理器進(jìn)行信息交換。PDIUSBD12是Philips公司推出的一種價(jià)格便宜、功能完善的USB并行接口芯片，支持多路復(fù)用、非多路復(fù)用和DMA并行傳輸，它遵從USB1.1協(xié)議，適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，對(duì)MCU沒(méi)有特殊要求，接口方便靈活。微處理器采用P89C51RD 單片機(jī)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：
3.1 RS485軟件子程序設(shè)計(jì)：
RS485軟件編程非常簡(jiǎn)單，它使用處理器的串口。數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)存放到串口緩沖區(qū)中，并產(chǎn)生串口中斷。
RS485協(xié)議只是物理層，上層協(xié)議需要用戶自己定義。 由于介紹RS485總線的文章很多，其他程序略。
3.2 USB軟件設(shè)計(jì)：
USB設(shè)備與主機(jī)通過(guò)四根線連接，電源、地，以及兩根數(shù)據(jù)線，該模塊使用計(jì)算機(jī)提供的5v電源。連接速度由D+ , D-連線上的電阻位置決定的, 如果D+ 線上有上拉電阻, USB 設(shè)備為全速設(shè)備,如果D-連線上有上拉電阻, 則USB 設(shè)備為低速設(shè)備。PDIUSBD12 的softconnect 技術(shù)在片內(nèi)集成了1.5k的上拉電阻, 可以通過(guò)微處理器發(fā)送命令來(lái)控制D+上的上拉電阻是否與電源連接。
在usb設(shè)備中，我們使用描述符區(qū)別不同的設(shè)備、端口等。描述符主要包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符，在設(shè)備中預(yù)先設(shè)置這些參數(shù)，主機(jī)通過(guò)對(duì)這些描述符的讀取，獲得該設(shè)備的信息。
當(dāng)一個(gè)設(shè)備剛插入計(jì)算機(jī)時(shí)，主機(jī)需要對(duì)該設(shè)備枚舉，讀取該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，首先使用默認(rèn)的設(shè)備地址0進(jìn)行通信。主機(jī)端先向設(shè)備地址0，端點(diǎn)0發(fā)送Get_Descriptor(獲取描述符)請(qǐng)求來(lái)查詢接入什么樣的設(shè)備，設(shè)備使用設(shè)備描述符回答，然后通過(guò)發(fā)送Set_Address(設(shè)定地址)請(qǐng)求來(lái)分配一個(gè)單獨(dú)的地址給設(shè)備。設(shè)備讀取這個(gè)請(qǐng)求，返回一個(gè)確認(rèn)且保存新的地址。主機(jī)給新地址發(fā)送一個(gè)Get_Descriptor請(qǐng)求來(lái)讀取這個(gè)設(shè)備完整的描述符，包括端點(diǎn)最大包的大小，設(shè)備支持的配置號(hào)，以及該設(shè)備的其它信息，主機(jī)將這些信息用于往后的通信中。而后發(fā)出Get_configuration_Descriptor(獲取配置描述符)命令，用來(lái)獲取設(shè)備的節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)的配置信息。而后發(fā)出（Set_configuration）設(shè)定配置請(qǐng)求，以該配置號(hào)配置設(shè)備。設(shè)備就完全正確處于可操作狀態(tài)，完成了枚舉過(guò)程，便可以通過(guò)端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。
以下是主設(shè)備讀取從設(shè)備描述符的過(guò)程
主機(jī)發(fā)起的setup包，使用默認(rèn)的地址0，端點(diǎn)0。其中SYNC字段為同步序列數(shù)據(jù)域，固定為01H,緊接著為標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)域PID字段，用來(lái)表示數(shù)據(jù)封裝包的類型，可分為令牌、數(shù)據(jù)、握手或特殊四種封裝包類型。其中令牌封裝包細(xì)分為OUT,IN,SETUP,SOF四種封裝格式。隨后為地址數(shù)據(jù)域ADDR字段，用來(lái)尋址高達(dá)127個(gè)外圍設(shè)備，每個(gè)設(shè)備只有對(duì)應(yīng)唯一的地址，ENDP字段為端點(diǎn)數(shù)據(jù)域，最多可尋址32個(gè)端點(diǎn)，它僅在IN,OUT,SETUP令牌封裝包中，最后為CRC校驗(yàn)和。
主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)80表示設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，06描述符命令（get_descriptor）00 01 代表請(qǐng)求設(shè)備的描述符，00 00為語(yǔ)言類型,40 00,指出期望從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，如果描述符的個(gè)數(shù)大于指定的字節(jié)個(gè)數(shù)，則按照指定個(gè)數(shù)返回，如果描述符小于指定的字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際的字節(jié)個(gè)數(shù)。
該幀為設(shè)備收到數(shù)據(jù)后的確認(rèn)幀
該幀為向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。
12為描述符長(zhǎng)度，01為設(shè)備類型，10 01 為usb版本號(hào)，bcd碼，這里是usb1.1,00 為設(shè)備類型碼，00為子類設(shè)備代碼，00為USB分配的設(shè)備協(xié)議代碼，10為端點(diǎn)0最大包的大小，d8,0d為廠商編號(hào)，01 c0為產(chǎn)品編號(hào)，04 01為設(shè)備出廠編號(hào)，01為廠商字符串索引，02 為產(chǎn)品字符串索引，00為序列號(hào)，01為設(shè)置編號(hào)。
在主程序中完成對(duì)系統(tǒng)、PDIUSBD12的初始化，以及完成對(duì)d12的枚舉，將數(shù)據(jù)的發(fā)送接收都放在中斷程序中。PDIUSBD12有3組端點(diǎn)，使用默認(rèn)端點(diǎn)0和端點(diǎn)2。將端點(diǎn)2作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃?dāng)PDIUSBD12從USB收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就對(duì)CPU產(chǎn)生一個(gè)外部中斷請(qǐng)求，CPU立即相應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)子程序中，將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,隨后清零PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果接收得數(shù)據(jù)正確，直接調(diào)用RS485數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485網(wǎng)絡(luò)。
圖3 外部中斷流程圖
3.3 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)：
計(jì)算機(jī)軟件主要包括，驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序采用飛利浦提供的驅(qū)動(dòng)，上位機(jī)程序使用api函數(shù)并封裝RS485總線的上層協(xié)議，提供給用戶使用的接口。本例采用VC編寫用戶程序和動(dòng)態(tài)連接庫(kù)。從驅(qū)動(dòng)中讀數(shù)據(jù)的程序如下，
void readdata(unsigned char *rec)
{ unsigned char outbuf[105];
HANDLE hFile, hDevice=0;
BOOL bResult;
ULONG nBytes = 25;
hFile = open_file("PIPE02");
if(hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{return;}
hDevice = open_dev();
bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,&nBytes,NULL);
if(bResult==FALSE)
{ DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0,&nBytes,NULL); }
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hDevice);
}
在使用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，只需要添加如下說(shuō)明。
extern "C" DllImport void readdata ( unsigned char * );
4 結(jié) 論
由于采用了USB總線,克服了原來(lái)使用RS232接口速度慢的瓶頸，提高了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，該方案已經(jīng)成功的得到應(yīng)用，穩(wěn)定可靠,有廣闊的應(yīng)用前景。
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對(duì)“一戶一表”工程改造的推進(jìn)，以及對(duì)自動(dòng)化的要求，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)已成為水、電、氣自動(dòng)化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。
采用集中抄表系統(tǒng)能夠杜絕人工抄表產(chǎn)生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯(cuò)誤,提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減員增效。一般抄表系統(tǒng)采用RS485總線，然后通過(guò)485/232模塊與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口輪巡采集電表數(shù)據(jù)。由于串口速度慢，這成為抄表系統(tǒng)傳輸速率提高的瓶頸,而使用485/usb模塊，能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，USB 1.1規(guī)范的最高傳輸速率為12 Mb/s。USB總線除了用于外圍設(shè)備和PC機(jī)之間的連接之外，在其它領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，包括測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。
2 硬件設(shè)計(jì)：
模塊的硬件包括: 微控制器、RS485 總線通信接口和USB 通信接口，如圖1：
RS485定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向（半雙工）通信鏈路，采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線,每次通信只能有一個(gè)主站，適合輪巡方式通信。RS485收發(fā)器采用TI公司的75LBC184,它使用單電源供電，電壓在+3-+5.5V范圍都能正常工作，能完成TTL與RS485之間的轉(zhuǎn)換。在電路中，使用了TLP521進(jìn)行隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。
USB 通信接口采用PDIUSBD12，負(fù)責(zé)與上位機(jī)和微處理器進(jìn)行信息交換。PDIUSBD12是Philips公司推出的一種價(jià)格便宜、功能完善的USB并行接口芯片，支持多路復(fù)用、非多路復(fù)用和DMA并行傳輸，它遵從USB1.1協(xié)議，適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，對(duì)MCU沒(méi)有特殊要求，接口方便靈活。微處理器采用P89C51RD 單片機(jī)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：
3.1 RS485軟件子程序設(shè)計(jì)：
RS485軟件編程非常簡(jiǎn)單，它使用處理器的串口。數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)存放到串口緩沖區(qū)中，并產(chǎn)生串口中斷。
RS485協(xié)議只是物理層，上層協(xié)議需要用戶自己定義。 由于介紹RS485總線的文章很多，其他程序略。
3.2 USB軟件設(shè)計(jì)：
USB設(shè)備與主機(jī)通過(guò)四根線連接，電源、地，以及兩根數(shù)據(jù)線，該模塊使用計(jì)算機(jī)提供的5v電源。連接速度由D+ , D-連線上的電阻位置決定的, 如果D+ 線上有上拉電阻, USB 設(shè)備為全速設(shè)備,如果D-連線上有上拉電阻, 則USB 設(shè)備為低速設(shè)備。PDIUSBD12 的softconnect 技術(shù)在片內(nèi)集成了1.5k的上拉電阻, 可以通過(guò)微處理器發(fā)送命令來(lái)控制D+上的上拉電阻是否與電源連接。
在usb設(shè)備中，我們使用描述符區(qū)別不同的設(shè)備、端口等。描述符主要包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符，在設(shè)備中預(yù)先設(shè)置這些參數(shù)，主機(jī)通過(guò)對(duì)這些描述符的讀取，獲得該設(shè)備的信息。
當(dāng)一個(gè)設(shè)備剛插入計(jì)算機(jī)時(shí)，主機(jī)需要對(duì)該設(shè)備枚舉，讀取該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，首先使用默認(rèn)的設(shè)備地址0進(jìn)行通信。主機(jī)端先向設(shè)備地址0，端點(diǎn)0發(fā)送Get_Descriptor(獲取描述符)請(qǐng)求來(lái)查詢接入什么樣的設(shè)備，設(shè)備使用設(shè)備描述符回答，然后通過(guò)發(fā)送Set_Address(設(shè)定地址)請(qǐng)求來(lái)分配一個(gè)單獨(dú)的地址給設(shè)備。設(shè)備讀取這個(gè)請(qǐng)求，返回一個(gè)確認(rèn)且保存新的地址。主機(jī)給新地址發(fā)送一個(gè)Get_Descriptor請(qǐng)求來(lái)讀取這個(gè)設(shè)備完整的描述符，包括端點(diǎn)最大包的大小，設(shè)備支持的配置號(hào)，以及該設(shè)備的其它信息，主機(jī)將這些信息用于往后的通信中。而后發(fā)出Get_configuration_Descriptor(獲取配置描述符)命令，用來(lái)獲取設(shè)備的節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)的配置信息。而后發(fā)出（Set_configuration）設(shè)定配置請(qǐng)求，以該配置號(hào)配置設(shè)備。設(shè)備就完全正確處于可操作狀態(tài)，完成了枚舉過(guò)程，便可以通過(guò)端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。
以下是主設(shè)備讀取從設(shè)備描述符的過(guò)程
主機(jī)發(fā)起的setup包，使用默認(rèn)的地址0，端點(diǎn)0。其中SYNC字段為同步序列數(shù)據(jù)域，固定為01H,緊接著為標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)域PID字段，用來(lái)表示數(shù)據(jù)封裝包的類型，可分為令牌、數(shù)據(jù)、握手或特殊四種封裝包類型。其中令牌封裝包細(xì)分為OUT,IN,SETUP,SOF四種封裝格式。隨后為地址數(shù)據(jù)域ADDR字段，用來(lái)尋址高達(dá)127個(gè)外圍設(shè)備，每個(gè)設(shè)備只有對(duì)應(yīng)唯一的地址，ENDP字段為端點(diǎn)數(shù)據(jù)域，最多可尋址32個(gè)端點(diǎn)，它僅在IN,OUT,SETUP令牌封裝包中，最后為CRC校驗(yàn)和。
主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)80表示設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，06描述符命令（get_descriptor）00 01 代表請(qǐng)求設(shè)備的描述符，00 00為語(yǔ)言類型,40 00,指出期望從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，如果描述符的個(gè)數(shù)大于指定的字節(jié)個(gè)數(shù)，則按照指定個(gè)數(shù)返回，如果描述符小于指定的字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際的字節(jié)個(gè)數(shù)。
該幀為設(shè)備收到數(shù)據(jù)后的確認(rèn)幀
該幀為向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。
12為描述符長(zhǎng)度，01為設(shè)備類型，10 01 為usb版本號(hào)，bcd碼，這里是usb1.1,00 為設(shè)備類型碼，00為子類設(shè)備代碼，00為USB分配的設(shè)備協(xié)議代碼，10為端點(diǎn)0最大包的大小，d8,0d為廠商編號(hào)，01 c0為產(chǎn)品編號(hào)，04 01為設(shè)備出廠編號(hào)，01為廠商字符串索引，02 為產(chǎn)品字符串索引，00為序列號(hào)，01為設(shè)置編號(hào)。
在主程序中完成對(duì)系統(tǒng)、PDIUSBD12的初始化，以及完成對(duì)d12的枚舉，將數(shù)據(jù)的發(fā)送接收都放在中斷程序中。PDIUSBD12有3組端點(diǎn)，使用默認(rèn)端點(diǎn)0和端點(diǎn)2。將端點(diǎn)2作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃?dāng)PDIUSBD12從USB收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就對(duì)CPU產(chǎn)生一個(gè)外部中斷請(qǐng)求，CPU立即相應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)子程序中，將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,隨后清零PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果接收得數(shù)據(jù)正確，直接調(diào)用RS485數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485網(wǎng)絡(luò)。
圖3 外部中斷流程圖
3.3 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)：
計(jì)算機(jī)軟件主要包括，驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序采用飛利浦提供的驅(qū)動(dòng)，上位機(jī)程序使用api函數(shù)并封裝RS485總線的上層協(xié)議，提供給用戶使用的接口。本例采用VC編寫用戶程序和動(dòng)態(tài)連接庫(kù)。從驅(qū)動(dòng)中讀數(shù)據(jù)的程序如下，
void readdata(unsigned char *rec)
{ unsigned char outbuf[105];
HANDLE hFile, hDevice=0;
BOOL bResult;
ULONG nBytes = 25;
hFile = open_file("PIPE02");
if(hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{return;}
hDevice = open_dev();
bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,&nBytes,NULL);
if(bResult==FALSE)
{ DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0,&nBytes,NULL); }
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hDevice);
}
在使用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，只需要添加如下說(shuō)明。
extern "C" DllImport void readdata ( unsigned char * );
4 結(jié) 論
由于采用了USB總線,克服了原來(lái)使用RS232接口速度慢的瓶頸，提高了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，該方案已經(jīng)成功的得到應(yīng)用，穩(wěn)定可靠,有廣闊的應(yīng)用前景。
