应用于磁致伸缩传感器的 SSI - USB转换器

 应用于磁致伸缩传感器的 SSI - USB转换器

作者：吴蕊；朱蕴璞；邓俊；高涛




     为了实现磁致伸缩传感器与上位机的交互 ,研制了一种由高档 8位单片机 ATmega128控制的 SSI - USB转换器。通过对 SSI协议规范的研究 ,以及对由 PD IUSBD12实现的 USB接口电路的研究 ,提出了相关的软硬件设计。最终实现了 SSI信号与 USB信号的相互转换 ,从而实现了磁致伸缩传感器与上位机的通信。

1　SS I协议规范及总体设计

1. 1　SS I协议规范

       SSI通讯协议是一种串行通信协议 ,其中 SSI全称为同步串行接口 ( Synchronous Serial interface) 。 SSI传输过程中 , 有24 /25 /26 3种编码模式。 SSI 信号包括差分同步时钟信号CLOCK +、CLOCK - ,差分数据信号 DATA +、DATA - , 电源VCC与地 GND。通过差分方式传输码值提高了抗干扰的能力 ,接线简单 ,增加了系统控制的可靠性。

       SSI通信协议的双方 ,一方发送时钟信号 ,另一方在这个时钟脉冲信号的控制下从最高有效位 (MSB )开始同步传输数据。SSI信号传输时序图如图 1所示。其中 D0～Dn为数据信号 , T为一个时钟信号周期的持续时间 ; Tm为单稳触发时间 , Tp为数据传输间隔 ,并且 Tp≥Tm; MSB为最高位 , LSB为最低位。

1. 2　总体设计

       SSI - USB转换器的设计主要包含 2部分 : (1)向下配置参数部分 ,即通过上位机界面对传感器的相关参数进行设定 ,设定好后通过 USB接口传送给 SSI - USB转换器 ,然后 SSI - USB转换器再将接收到的配置参数信号转化为 SSI信号传送给磁致伸缩传感器。 (2)上传测量结果部分 ,即磁致伸缩传感器将测量结果通过 SSI接口传送给 SSI - USB转换器 ,然后 SSI - USB转换器再将其转化为 USB信号传送给上位机供分析计算。

2　硬件设计

       SSI - USB转换器的硬件电路部分主要包括 3部分 : (1)起主控作用的单片机 ; (2)与磁致伸缩传感器相连的 SSI接口电路 ; (3)与上位机相连的 USB接口电路。

2. 1　CPU及 SS I接口部分电路

       设计中 CPU 采用的是 AVR 单片机 AT-mega128, ATmega128是 8位系列单片机中配置最高的一款单片机 ,应用及其广泛。在 SSI接口部分电路的设计中采用差分平衡型收发器芯片 MAX490将时钟信号 SSI_CLK和数据信号 SSI_DATA分别转化为符合 SSI通信协议规范的差分信号CLK + , CLK - , DATA + , DATA - 信号。为了保证数据的高速传输及传输的可靠性 ,设计中采用高速光耦 6N137将SSI_CLK和 SSI_DATA信号与单片机的 SSI_CLK1和 SSI_DATA1信号进行隔离。并且 6N137对输入信号具有整形的作用 ,输入的方波信号经137输出后 ,输入信号原本波形较缓的上升沿和下降沿得到改善。

       磁致伸缩传感器的测量结果需要传递到上位机供用户分析计算 ,且要求满足一定的更新频率如 3 m s、2 m s、1 m s、015 m s等。采用普通 I/O口模拟 SSI通信的方式 ,由于受到系统时钟周期的限制无法达到如此高的更新频率 ,故在设计上采用 SP I的主从通信 (即 SSI - USB转换器作为主机 ,磁致伸缩传感器作为从机 )代替 SSI通信 ,将 SCK脚和 M ISO脚引出来分别定义为SSI_CLK1和 SSI_DATA1。即 CPU作为主机发送时钟信号 ,传感器作为从机在时钟脉冲的控制下向主机传送数据信号。而配置参数的过程中因为对数据传送速度没有过高的要求 ,可以通过采用普通 I/O口模拟 SSI通信方式实现。同样是 SCK脚和 M ISO脚 ,但是与上传测量结果不同之处是此时 SCK脚作为数据输出脚 , M ISO 脚作为时钟输入脚 ,同时将 M ISO 脚接到INT1脚 ,用于捕获传感器发送的时钟信号。

2.2USB接口电路

       设计中利用 PD IUSBD12 芯片来实现 USB 接口 , PD IUS2BD12是一款性价比很高的 USB器件 ,可与任何外部微控制器 /微处理器实现高速并行连接 (2M 字节 / s)。USB设备接口电路的硬件设计主要以 PD IUSBD12为中心 ,设计它与 USB物理接口及微控制器之间的连接 。

       引脚 A0通过电阻和地连接 ,这样微控制器可以向 PD IUS-BD12写数据或向 PD IUSBD12读取数据。PD IUSBD12的 GL _N接 LED,对其工作状态进行监控 , LED在 USB被连接时会发光 ,在进行数据传输时会闪烁。设计中 USB总线采用的是设备自供电 ,因此将 USB接口的 VBUS脚悬空。R7、R8 为串联终端电阻。PD IUSBD12片内集成了 6～8 MHz时钟乘法 PLL,这样就可以使用低成本的 6 MHz晶振 , E - M I也随之降低。

3　软件设计

       在 SSI - USB转换器的软件设计部分 ,由于在上传传感器的测量结果的过程中要使用 SP I通信代替 SSI通信以实现高速传输的目的 ,因此要对 SP I进行初始化 ,此外也要对 I/O和 USB进行初始化 ,即开机启动时要对系统进行初始化。初始化工作完成后就进入 while循环 ,为了保证计算机已经完成对 SSI -USB转换器的插入检测和枚举 ,利用定时器 0设置 6 s开机启动延时 , 6 s延时只在开机启动时执行一次。延时时间到之后 ,不断查询上位机是否发送命令 ,若接收到命令再判断是什么命令 ,然后去执行相应命令对应的服务程序。

        在通过上位机界面对传感器进行配置参数的过程中 ,使用INT1来捕获传感器发送的时钟信号的上升沿 ,并在中断服务程序中从最高有效位开始传送数据。每次中断 ,传送一个数据有效位。其中的中断服务程序如下 :

void Master_W rite ( )

{if( IOSendData&0x80) Set_Data; / /发送数据的最高位

elseClear_Data;

IOSendData < < = 1; / /数据左移一位 ,将下一位要传送的数据移至最高位Int1Num + + ;}

在上传传感器的测量结果的过程中 ,通过定时器 1来实现 015 m s、1 m s、2 m s、3 m s的更新频率 ,在定时器 1中断服务程序中将更新数据的标志位 Data _Flag置位 ,后面将依据此标志决定是否更新数据。由于 SSI信号的编码模式是 24位或 25位或 26位 ,本设计中统一定义为32位 ,其中不用的高位全部置为 0。在更新数据函数执行完后 ,将更新后的数据通过 USB接口上传给上位机。其中更新数据函数如下 :void data_samp le ( void)

{uint i = 0;

CL I( ) ;

counter = 4;

SE I( ) ;

switch ( interval) / /设置定时器 1的计数初值 ,从而分别实现 3 m s, 2 m s, 1 m s, 015 m s的更新频率

{case 0: SAMPLE_TIME = 65536 - 1500;

　break;

case 1: SAMPLE_TIME = 65536 - 1000;

　break;

case 2: SAMPLE_TIME = 65536 - 500;

　break;

case 3: SAMPLE_TIME = 65536 - 250;

    break;

    default:

　break;}

timer1_init( ) ; / /启动定时器 1

while ( counter > 0)

{if(Data_Flag = = 1) / /读传感器的测量结果并存储 ,以便向上位机传送

{databuff0 [ 0 ] = Read_Data1 [ 0 ];

databuff0 [ 1 ] = Read_Data1 [ 1 databuff0 [ 2 ] = Read_Data1 [ 2 ]; databuff0 [ 3 ] = Read_Data1 [ 3 ]; Data_Flag = 0;

counter = counter - 4;}}

TCCR1B = 0x00;}];

4　结束语

       文中研究了一种用于磁致伸缩传感器的 SSI - USB 转换器 ,实现了上位机与磁致伸缩传感器的通信。一方面实现通过上位机界面对传感器进行参数配置 ;另一方面实现将传感器的测量结果高速传给上位机供分析计算。技术上在 SSI接口部分采用 SP I的主从通信代替 SSI通信 ,实现了高速传输数据的目标。并且采用价格便宜 ,接口方便 ,可靠性高的 PD IUSBD12芯片搭建 USB接口电路与计算机通信 ,使该 SSI - USB转换器的应用具有普遍性。同时也为 SSI - USB转换器应用在其他领域提供了参考。








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