基于CH375多通道USB接口与PC机通信的实现

    正离子静电加速器在运转过程中会产生能量较高的γ﹑X和快中子等多种放射性辐射，对周围的环境造成污染，对生命造成危害^[1]。由于其体积庞大，辐射范围广，需设计一个多探测端的多通道同步核辐射监测系统，针对加速器周围环境进行辐射防护监测。每个探测端属于一个探测通道，它们相互独立。各通道将采集到的数据传输给上位机（主控计算机）。上位机进行数据处理并显示各个探测端的辐射强度及吸收剂量。

    若采用串口（RS232）实现多通道传输，各通道每次向上位机传输的数据容量大（16K），而串口传输速度慢，花费的时间长。在通信过程中，相应通道进入中断服务程序后，不能够再采集新的信号，更加严重地影响了系统的探测效率。于是就采用CH375构成的USB接口进行数据传输。速率可提高到1Mbit/s以上。同时USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性好等优点^[2,3]也极大地改善了接口的使用性能。

1 CH375模块^[4]简介

    USB模块CH375是一个USB总线的通用设备接口芯片，用户无需编写驱动程序，内置有USB通讯中的底层协议，完全满足USB1.1标准。具有8位数据总线（D0～D7）、地址输入（A0）、读（RD#）、 写（WR#）、片选控制线（CS#）以及中断输出（INT#），可以方便地挂接到单片机的数据总线上。当A0为低电平时选择数据端口，单片机通过8位并口对CH375进行读写数据；为高电平时选择命令端口，可以向其写入命令。

    在本地端，单片机对CH375的操作是采用命令加数据的I/O操作方式，任何操作都是先发命令（其命令格式参考文献3）给CH375，然后执行数据输入输出。CH375接收到上位机发送的数据或者发送完给上位机的数据后，以中断方式通知单片机。

    将CH375芯片的驱动程序、动态链接库拷贝到上位机中，利用CH375动态链接库DLL提供的API函数对其进行操作，对USB设备的通信就几乎和访问本地硬盘中的文件差不多了。

2 具有多个USB接口的多通道数据采集系统

    图1是加速器的核辐射监测系统。是个具有多个USB接口的多通道数据采集系统。该系统可安装连接多个探测端（最多128个）。监测不同的放射性辐射时，装配相应的探测器。每个探测通道的工作原理及电子线路都相同，分别连接到USB扩展卡上。多道分析器采用高性能AVR单片机ATmega128作为控制器。ATmega128运用Harvard结构概念，具有预取指令功能，机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能^[5]。用其控制高速模数转换电路，把探测器输出的模拟量转换成计算机可接收的数字量，进行存储，等待上位机的读取。

图1加速器多通道核辐射监测系统结构图

    单一探测通道，用CH375构成的USB接口电路原理如图2所示。各通道接收到上位机发出读取数据命令后，由ATmega128控制将所有探测数据通过USB接口电路传输给上位机。

图2  CH375构成的USB接口电路原理图

3 多个通道USB接口的软件设计

    各通道的USB模块CH375在计算机应用层与其本地端单片机ATmega128之间提供了端对端的连接。统一采用数据加应答方式进行通信，所有的通信都由计算机应用层发起，然后以接收到单片机的应答结束。单一通道完整的通信过程包括：

① 计算机应用层按事先约定的格式将数据请求发送给CH375；

② CH375以中断方式通知单片机。

③ 单片机进入中断服务程序，获取CH375的中断状态并分析；

④ 如果是上传（上传缓冲区的数据被计算机成功读取），则释放当前USB缓冲区，然后退出中断程序；

⑤ 如果是下传（下传缓冲区成功接收到计算机发送的数据），则从数据下传缓冲区读取数据块；

⑥ 分析接收到的数据块，如果是数据请求上传命令，准备应答数据（采集数据）；

⑦ 单片机将采集数据写入数据上传缓冲区中，然后退出中断程序；

⑧ CH375将采集数据返回给计算机；

⑨ 计算机应用层接收到应答数据，传输结束；

    该通讯方式具有数据自动同步、程序设计简单、较好的交互性和可控性等优点。计算机定时以此方式顺次访问各通道，获取各通道采集到的数据。

3.1 单片机端的程序设计

   各通道单片机端程序设计相同。ATmega128中断1（INT1）作为USB的中断入口（参考图2），采用数据加应答方式，其中断1服务处理程序设计流程图如图3所示。

图3 单片机端ATmega128中断服务处理程序流程图

    采用C语言编程，编写单片机端ATmega128中断1服务处理程序的基本框架如下所示：

void int1_isr (void)         //USB中断入口程序

{

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS)； //向CH375发送中断状态获取命令

InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT()；//获取中断状态，并通知CH375取消中断请求

// 分析中断状态，并做相应处理               

if ( InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT) // 数据下传

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA )；// 向CH375发送读数据命令

RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT( )；//从CH375下传缓冲区读取数据块

……… //分析接收到的数据块

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7)； // 向CH375发送写数据命令

CH375_WR_DAT_PORT( DATA)；// 将采集数据DATA写入CH375数据上传缓冲区

return；

}

If(InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN) // 数据上传

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_UNLOCK_USB )；// 释放当前USB缓冲区

    return；

}

}

3.2 计算机端的程序设计

    采用Visual C++作为计算机端应用软件的开发平台，以实现两通道USB数据传输为例，计算机端程序设计流程图如图4所示。USB设备1即指通道1；USB设备2即指通道2。

图4 计算机端两通道USB数据传输程序设计流程图

    利用MFC（微软基础类）定时器函数^[6]，计算机定时顺序访问两通道，获取采集数据。编写计算机端定时中断处理程序的基本框架如下所示：

OnTimer(UINT nIDEvent)  //定时函数入口

{

if (CH375OpenDevice(0 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) // 打开USB设备1（通道1 USB模块CH375），返回句柄，出错无效

………

if (CH375OpenDevice(1 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) //打开USB设备2

………

if ( CH375WriteData( 0, WriteBuf, &length) ) //发送数据请求命令给USB设备1，成功发送后返回真。WriteBuf指向放置准备写出数据的缓冲区。Length指向长度单元，输入时为准备写出的长度，返回后为实际写出的长度。

………

if ( CH375ReadData( 0, ReadBuf, & length) ) //从USB设备1读取采集数据，成功读取后返回真。ReadBuf为指向用于保存读取数据的缓冲区。Length指向长度单元，输入时为准备读取得长度，返回后为实际读取得长度。

………

CH375CloseDevice( 0 )； //关闭USB设备1

if ( CH375WriteData( 1, WriteBuf, &length) ) //发送数据请求命令给USB设备2

………

if ( CH375ReadData( 1, ReadBuf, & length) ) //从USB设备2读取采集数据

………

CH375CloseDevice( 1 )； //关闭USB设备2

}

4 结束语

    采用CH375进行USB数据传输速率高，达到1Mbit/s以上。而且无需编写复杂的USB驱动程序，利用其动态链接库即可实现多通道USB接口与PC机通信。研发简单，易于实现，可以使数据传输系统非常方便的从RS232总线转向USB总线，弥补其速度慢的缺点，进行系统升级。并且USB所具有的各种优越性能，也必将使这种接口电路在数据传输中得到更广泛的应用。

参考文献
[1]谢一冈,陈昌,王曼,等. 粒子探测器与数据获取[M]. 北京:科学出版社, 2003. 529-532.
[2]周建斌,黄锦华. USB接口技术在核谱测量系统中的应用研究[J]. 核电子学与探测技术. 2004, 24(5). -506 -510
[3]胡荣强,郝艳杰. USB接口在数据采集系统中的应用[J]. 微计算机信息. 2005,21(1).-51-52
[4]南京沁恒电子有限公司. USB总线接口芯片CH375. http://www.Winchiphead.com, 2005
[5]宋建国. AVR单片机原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2000. 22-26
[6]David Simon, 周瑜萍,等. Visual C++ 6编程宝典[M].电子工业出版社, 2005.314-317