基于 US B 接口的电能量测试系统

基于ＵＳＢ接口的电能量测试系统本文利用ＵＳＢ接口技术与嵌入式系统相结合，研究设计出一个新的电能量测试系统。

该系统与传统的测试系统相比，电量测量更可靠、信息传播更快速、人机交互更便捷。

１系统工作原理及硬件设计系统基本工作原理是通过ＣＳ５４６０对相电压和相电流进行采集计算，并将结果保存到存储器中；工作人员可以利用键盘选择查看各种电量值，如瞬时电流／有效值、瞬时电压／有效值、功率等；ＭＣＵ处理键盘命令，将所选数据值送至ＬＣＤ显示，并通过ＵＳＢ控制芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２实现与上位机的数据交流。

原理图见图１。

１．１系统的处理器系统采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司推出的１６／３２位ＲＩＳＣ处理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ（ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核）。

Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ提供了丰富的内置资源，包括：８ＫＢｃａｃｈｅ，可选内部ＳＲＡＭ，ＬＣＤ控制器，带自动握手的２通道ＵＡＲＴ，４通道ＤＭＡ，存储系统管理器，ＰＷＭ功能的６通道定时器，７１个通用Ｉ／Ｏ端口，实时时钟ＲＴＣ，８通道１０位ＡＤＣ，ＩＩＣ－ＢＵＳ接口，同步ＳＩＯ接口和ＰＬＬ倍频器。

使用Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器与传统的单片机相比，处理速度快，资源丰富，可以嵌入较复杂的操作系统实现网络传输数据的功能，为系统进一步向智能化、网络化发展提供了良好的物质基础。

１．２系统数据计量器件ＣＳ５４６０是美国ＣＲＹＳＴＡＬ公司出品的带有串行接口的单相功率／电能计量芯片，最突出的特点是集成度高，内含两个ＡＤＣ、高／低通数字滤波器、能量计算单元以及串行接口和数字一频率转换器。

目前，供电部门对电网的用电考核参数越来越多，如有功、无功、瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率等，而ＣＳ５４６０提供了很多的计量参数，能够满足供电部门的要求。

ＣＳ５４６０基本的工作原理是：其串行部分带有发送／接收缓冲器的状态机，状态机在ＳＣＬＫ上升沿解释８位命令，根据对命令的解析进而执行相应的操作。

对于数据的读写，可以通过向串口ＳＤＩ引脚写相应的８位命令来启动。

例如，在读取测量数据时，可以先向串口引脚ＳＤＩ写８位读命令，然后在ＳＤＯ中接收数据。

图２给出了ＣＳ５４６０Ａ与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的连接简图。

图中Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的ＧＰＥ１和ＧＰＥ２引脚配置成串口功能（ＧＰＥ）与ＣＳ５４６０Ａ的串口相连接；将ＧＰＧ２引脚配置成外部中断功能与ＣＳ５４６０Ａ的ＩＮＴ连接。

１．３系统ＵＳＢ接口系统采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的ＰＤＩＵＳＢＤ１２接口芯片，内部不含微控制器，使用时需通过８位高速并行数据线与其他微控制器连接，支持本地ＤＭＡ传输，有３个输入／输出端点。

片内集成串行接口引擎ＳＩＥ、ＦＩＦＯ存储器、收发器、电压调整器和６～４８ＭＨｚ时钟乘法ＰＬＬ。

本系统使用低成本的６ＭＨｚ晶振，ＥＭＩ也随之降低。

１．４其他器件其他辅助性器件，如存储器、ＬＣＤ显示器等，均可根据Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器和实现功能进行配置。

本系统中存储器采用ＳＳＴ公司的ＳＳＴ３９ＶＦ１６０的ＣＭＯＳ多用途ＦｌａｓｈＲＯＭ，ＬＣＤ采用Ｓｈａｒｐ公司的ＬＭ０５７ＱＣ１Ｔ０１型ＳＴＮ彩色液晶显示模块。

２软件的设计由于系统以Ｓ３Ｃ４４Ｂ０处理器为核心，需要完成数据采集计算、显示、键盘控制以及与上位机实现通讯等功能，所以首先要编写Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的启动程序，即根据系统的实际情况对Ｓ３Ｃ４４Ｂ０引脚、寄存器、以及外围的存储器进行有效的配置。

其次，根据系统功能需求编写不同的功能模块，如图３所示。

ＭＣＵ根据键盘输入的命令，执行不同的模块来实现多种功能。

洪涛刘丽桑彭侠夫（厦门大学信息科学与技术学院，福建厦门３６１００５）ＥｌｅｃｔｒｉｃＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＵＳＢＩｎｔｅｒｆａｃｅ摘要为提升测量精度、方便数据传输管理，设计并实现了以Ｓ３Ｃ４４Ｂ０处理器作为控制核心，ＣＳ５４６０作为计量器件，通过ＵＳＢ接口与上位机实现数据通讯的新型电能量测试系统；重点讨论了ＵＳＢ接口程序的结构与实现。

实践证明系统具有广泛的适应范围。

关键词：ＰＤＩＵＳＢＤ１２，ＣＳ５４６０，ＷＤＭ驱动，数据采集ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔａｎｄｆｒｉｅｎｄｌｙｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎｅｗｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｕｓｅｓＳ３Ｃ４４Ｂ０ａｓＭＣＵ，ＣＳ５４６０ａｓｔｈｅｃｈｉｐｏｆｍｅａｓｕｒｅ，ａｎｄＰＤＩＵＳＢＤ１２ａｓｔｈｅｃｈｉｐｏｆＵＳＢｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＩｔｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｗｉｄｅｓｐｈｅｒｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＤＩＵＳＢＤ１２，ＣＳ５４６０，ＷＤＭ，ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ图１系统工作原理图图２硬件连接图基于ＵＳＢ接口的电能量测试系统３６图３系统软件流程图系统主要模块及功能：①ＲＥＳＥＴ模块。

实现系统复位和错误处理功能；②数采模块。

实现数据采集、显示、管理功能；③ＵＳＢ通讯模块。

实现与上位机的数据或命令的传输功能。

２．１ＭＣＵ和ＵＳＢ接口的通信程序ＭＣＵ与ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下简称Ｄ１２）之间的通讯程序，可按照Ｐｈｉｌｉｐｓ公司提供的固件协议进行编写。

协议框架如图４所示。

图４通信协议１）硬件提取层：对Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的Ｉ／Ｏ口、数据总线等硬件接口进行操作，为ＵＳＢ通讯做好准备。

２）Ｄ１２命令接口：ＵＳＢ协议层的操作由Ｄ１２芯片的串行接口引擎（ＰＳＩＥ）完成，可以通过指令对器件进行操作、管理。

３）中断服务程序：当Ｄ１２向ＭＣＵ发出中断请求时，ＭＣＵ将读取Ｄ１２中断传输来的数据，并设定事件标志“ＥＰＰ２ＦＬＡＧＳ”和Ｓｅｔｕｐ包数据缓冲区“ＣＯＮＲＯＬ＿ＸＦＥＲ”传输给主循环程序。

程序如下：ｔｙｐｅｄｅｆｕｎｉｏｎ＿ｅｐｐ＿ｆｌａｇｓLｓｔｒｕｃｔ＿ｆｌａｇｓLｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｔｉｍｅｒPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｂｕｓ＿ｒｅｓｅｔPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｕｓｐｅｎｄPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｅｔｕｐ＿ｐａｃｋｅｔPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｒｅｍｏｔｅ＿ｗａｋｅｕｐPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｉｎ＿ｉｓｒPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｃｏｎｔｒｏｌ＿ｓｔａｔｅPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｅｐ１＿ｒｘｄｏｎｅPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｓｅｔｕｐ＿ｄｍａPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｄｍａ＿ｓｔａｔｅPUｂｉｔｓPｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｖａｌｕｅPUＥＰＰＦＬＡＧＳPｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ＿ｃｏｎｔｒｏｌ＿ｘｆｅｒLＤＥＶＩＣＥ＿ＲＥＱＵＥＳＴＤｅｖｉｃｅＲｅｑｕｅｓｔPｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｗＬｅｎｇｔｈPｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｗＣｏｕｎｔPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒZｐＤａｔａPｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｄａｔａＢｕｆｆｅｒ［ＭＡＸ＿ＣＯＮＴＲＯＬＤＡＴＡ＿ＳＩＺＥ］PUＣＯＮＴＲＯＬ＿ＸＦＥＲP４）标准设备请求处理程序：对ＵＳＢ的标准设备请求进行处理，其作用是获得当前ＵＳＢ设备的基本配置信息；为此，在固件程序中应声明几个结构体变量以记录设备描述符、配置描述符、字符串描述符、接口描述符和端点描述。

以设备描述符为示例：ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ＿ＵＳＢ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲLＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈPＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅPＵＳＨＯＲＴｂｃｄＵＳＢPＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＣｌａｓｓPＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＳｕｂＣｌａｓｓPＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌPＵＣＨＡＲｂＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ０PＵＳＨＯＲＴｉｄＶｅｎｄｏｒPＵＳＨＯＲＴｉｄＰｒｏｄｕｃｔPＵＳＨＯＲＴｂｃｄＤｅｖｉｃｅPＵＣＨＡＲｉＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒPＵＣＨＡＲｉＰｒｏｄｕｃｔPＵＣＨＡＲｉＳｅｒｉａｌＮｕｍｂｅｒPＵＣＨＡＲｂＮｕｍＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓPUＵＳＢ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，ZＰＵＳＢ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲP ５）厂商请求处理程序：对用户添加的厂商请求进行处理，统一管理各个实现本系统特定功能单元的处理函数。

例如，采用ＤＭＡ完成ＣＳ５４６０数据采集的函数通常采用指针数组的方式组织，根据调用者的意愿散转到数组中各个成员函数的入口并运行。

示例如下：ｃｏｄｅｖｏｉｄ（ZＶｅｎｄｏｒＤｅｖｉｃｅＲｅｑｕｅｓｔ［］）（ｖｏｉｄ）＝LｒｅｓｅｒｖｅｄP．．．．．．ｒｅａｄ＿ｗｒｉｔｅ＿ＣＳ５４６０ＲＳP．．．．．．UP６）主程序：发出ＵＳＢ数据传输请求，并处理总线事件和调用用户自定义功能子程序。

２．２上位机应用程序在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ下访问ＵＳＢ设备需要加载相应ＷＤＭ驱动，可利用微软提供的ＤＤＫ等工具编写ＷＤＭ驱动。

步骤是，先用ＷｉｎｄｏｗｓＤＤＫ（设备驱动程序开发包）或第三方开发工具（如ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ）开发ＵＳＢ驱动程序，然后用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋编写ＤＬＬ（动态连接库），最后再调有ＤＬＬ来开发应用程序。

设计中使用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司提供的ＰＤＩＵＳＢＤ１２接口芯片驱动程序，从而降低开发难度。

当检测仪接入ＰＣ的ＵＳＢ接口时，操作系统将自动识别ＵＳＢ设备并加载该驱动程序。

应用程序采用ＶＣ６．０编写，通过调用ＡＰＩ函数实现对ＵＳＢ接口的读写访问。

使用的主要ＡＰＩ函数为ＲｅａｄＤａｔａ（）和ＷｒｉｔｅＤａｔａ（）。

这２个ＡＰＩ函数均封装在动态链接库ＥａｓｙＵＳＢ．ｄｌｌ（下转第６３页）（上接第３７页）当中，使用前需在类模块中申明。

ＷｒｉｔｅＤａｔａ（）用于向检测仪发出读取数据的指令，ＲｅａｄＤａｔａ（）用于从ＵＳＢ接口读取检测仪发过来的数据。

３结束语系统应用于工业现场的用电数据采集与分析处理，经实践证实其运行性能稳定、数据通讯实时可靠；与传统测试系统利用串口与并口通讯相比，具有人机操作简明、维护成本低廉、传输数度快的优点。

并且由于系统采用Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ为核心，可以充分利用处理器的丰富资源扩展系统测试范围，如：把温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的Ａ／Ｄ功能引脚相连接，在嵌入式系统下添加Ａ／Ｄ驱动程序，即可完成温度数据的测试，具有嵌人式微系统的典型特征和优势。

参考文献［１］周立功，等．ＰＤＩＵＳＢＤ１２ＵＳＢ固件编程与驱动开发［Ｍ］．北京：中国航空航天大学出社，２００３［２］梁冠辉，孙世宇，等．基于ＵＳＢ接口数据采集器的远程应用系统设计［Ｊ］．微计算机信息，２００６，２（１）：１１９－１２１［３］陈龙三．８０５１单片机Ｃ语言控制与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００１［４］武安河．ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰＷＤＭ设备驱动程序开发［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１［５］费浙平．基于ＡＲＭ的嵌入式系统程序开发要点（二）［Ｊ］．单片机与嵌入式系统，２００３．９［收稿日期：２００７．４．２０］速光电耦合器进行电气隔离。