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    應用于磁致伸縮傳感器的 SSI - USB轉換器

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-11-06 08:47

      

           為了實現磁致伸縮傳感器與上位機的交互 ,研制了一種由高檔 8位單片機 ATmega128控制的 SSI - USB轉換器。通過對 SSI協議規范的研究 ,以及對由 PD IUSBD12實現的 USB接口電路的研究 ,提出了相關的軟硬件設計。最終實現了 SSI信號與 USB信號的相互轉換 ,從而實現了磁致伸縮傳感器與上位機的通信。
    1 SS I協議規范及總體設計
    1. 1 SS I協議規范
           SSI通訊協議是一種串行通信協議 ,其中 SSI全稱為同步串行接口 ( Synchronous Serial interface) 。 SSI傳輸過程中 , 有24 /25 /26 3種編碼模式。 SSI 信號包括差分同步時鐘信號CLOCK +、CLOCK - ,差分數據信號 DATA +、DATA - , 電源VCC與地 GND。通過差分方式傳輸碼值提高了抗干擾的能力 ,接線簡單 ,增加了系統控制的可靠性。
           SSI通信協議的雙方 ,一方發送時鐘信號 ,另一方在這個時鐘脈沖信號的控制下從最高有效位 (MSB )開始同步傳輸數據。SSI信號傳輸時序圖如圖 1所示。其中 D0~Dn為數據信號 , T為一個時鐘信號周期的持續時間 ; Tm為單穩觸發時間 , Tp為數據傳輸間隔 ,并且 Tp≥Tm; MSB為最高位 , LSB為最低位。
    1. 2 總體設計
           SSI - USB轉換器的設計主要包含 2部分 : (1)向下配置參數部分 ,即通過上位機界面對傳感器的相關參數進行設定 ,設定好后通過 USB接口傳送給 SSI - USB轉換器 ,然后 SSI - USB轉換器再將接收到的配置參數信號轉化為 SSI信號傳送給磁致伸縮傳感器。 (2)上傳測量結果部分 ,即磁致伸縮傳感器將測量結果通過 SSI接口傳送給 SSI - USB轉換器 ,然后 SSI - USB轉換器再將其轉化為 USB信號傳送給上位機供分析計算。
    2 硬件設計
           SSI - USB轉換器的硬件電路部分主要包括 3部分 : (1)起主控作用的單片機 ; (2)與磁致伸縮傳感器相連的 SSI接口電路 ; (3)與上位機相連的 USB接口電路。
    2. 1 CPU及 SS I接口部分電路
           設計中 CPU 采用的是 AVR 單片機 AT-mega128, ATmega128是 8位系列單片機中配置最高的一款單片機 ,應用及其廣泛。在 SSI接口部分電路的設計中采用差分平衡型收發器芯片 MAX490將時鐘信號 SSI_CLK和數據信號 SSI_DATA分別轉化為符合 SSI通信協議規范的差分信號CLK + , CLK - , DATA + , DATA - 信號。為了保證數據的高速傳輸及傳輸的可靠性 ,設計中采用高速光耦 6N137將SSI_CLK和 SSI_DATA信號與單片機的 SSI_CLK1和 SSI_DATA1信號進行隔離。并且 6N137對輸入信號具有整形的作用 ,輸入的方波信號經137輸出后 ,輸入信號原本波形較緩的上升沿和下降沿得到改善。
           磁致伸縮傳感器的測量結果需要傳遞到上位機供用戶分析計算 ,且要求滿足一定的更新頻率如 3 m s、2 m s、1 m s、015 m s等。采用普通 I/O口模擬 SSI通信的方式 ,由于受到系統時鐘周期的限制無法達到如此高的更新頻率 ,故在設計上采用 SP I的主從通信 (即 SSI - USB轉換器作為主機 ,磁致伸縮傳感器作為從機 )代替 SSI通信 ,將 SCK腳和 M ISO腳引出來分別定義為SSI_CLK1和 SSI_DATA1。即 CPU作為主機發送時鐘信號 ,傳感器作為從機在時鐘脈沖的控制下向主機傳送數據信號。而配置參數的過程中因為對數據傳送速度沒有過高的要求 ,可以通過采用普通 I/O口模擬 SSI通信方式實現。同樣是 SCK腳和 M ISO腳 ,但是與上傳測量結果不同之處是此時 SCK腳作為數據輸出腳 , M ISO 腳作為時鐘輸入腳 ,同時將 M ISO 腳接到INT1腳 ,用于捕獲傳感器發送的時鐘信號。
    2.2USB接口電路
           設計中利用 PD IUSBD12 芯片來實現 USB 接口 , PD IUS2BD12是一款性價比很高的 USB器件 ,可與任何外部微控制器 /微處理器實現高速并行連接 (2M 字節 / s)。USB設備接口電路的硬件設計主要以 PD IUSBD12為中心 ,設計它與 USB物理接口及微控制器之間的連接 。
           引腳 A0通過電阻和地連接 ,這樣微控制器可以向 PD IUS-BD12寫數據或向 PD IUSBD12讀取數據。PD IUSBD12的 GL _N接 LED,對其工作狀態進行監控 , LED在 USB被連接時會發光 ,在進行數據傳輸時會閃爍。設計中 USB總線采用的是設備自供電 ,因此將 USB接口的 VBUS腳懸空。R7、R8 為串聯終端電阻。PD IUSBD12片內集成了 6~8 MHz時鐘乘法 PLL,這樣就可以使用低成本的 6 MHz晶振 , E - M I也隨之降低。
    磁致伸縮位移傳感器
    3 軟件設計
           在 SSI - USB轉換器的軟件設計部分 ,由于在上傳傳感器的測量結果的過程中要使用 SP I通信代替 SSI通信以實現高速傳輸的目的 ,因此要對 SP I進行初始化 ,此外也要對 I/O和 USB進行初始化 ,即開機啟動時要對系統進行初始化。初始化工作完成后就進入 while循環 ,為了保證計算機已經完成對 SSI -USB轉換器的插入檢測和枚舉 ,利用定時器 0設置 6 s開機啟動延時 , 6 s延時只在開機啟動時執行一次。延時時間到之后 ,不斷查詢上位機是否發送命令 ,若接收到命令再判斷是什么命令 ,然后去執行相應命令對應的服務程序。
            在通過上位機界面對傳感器進行配置參數的過程中 ,使用INT1來捕獲傳感器發送的時鐘信號的上升沿 ,并在中斷服務程序中從最高有效位開始傳送數據。每次中斷 ,傳送一個數據有效位。其中的中斷服務程序如下 :
    void Master_W rite ( )
    {if( IOSendData&0x80) Set_Data; / /發送數據的最高位
    elseClear_Data;
    IOSendData < < = 1; / /數據左移一位 ,將下一位要傳送的數據移至最高位Int1Num + + ;}
    在上傳傳感器的測量結果的過程中 ,通過定時器 1來實現 015 m s、1 m s、2 m s、3 m s的更新頻率 ,在定時器 1中斷服務程序中將更新數據的標志位 Data _Flag置位 ,后面將依據此標志決定是否更新數據。由于 SSI信號的編碼模式是 24位或 25位或 26位 ,本設計中統一定義為32位 ,其中不用的高位全部置為 0。在更新數據函數執行完后 ,將更新后的數據通過 USB接口上傳給上位機。其中更新數據函數如下 :void data_samp le ( void)
    {uint i = 0;
    CL I( ) ;
    counter = 4;
    SE I( ) ;
    switch ( interval) / /設置定時器 1的計數初值 ,從而分別實現 3 m s, 2 m s, 1 m s, 015 m s的更新頻率
    {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( ) ; / /啟動定時器 1
    while ( counter > 0)
    {if(Data_Flag = = 1) / /讀傳感器的測量結果并存儲 ,以便向上位機傳送
    {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 結束語
           文中研究了一種用于磁致伸縮傳感器的 SSI - USB 轉換器 ,實現了上位機與磁致伸縮傳感器的通信。一方面實現通過上位機界面對傳感器進行參數配置 ;另一方面實現將傳感器的測量結果高速傳給上位機供分析計算。技術上在 SSI接口部分采用 SP I的主從通信代替 SSI通信 ,實現了高速傳輸數據的目標。并且采用價格便宜 ,接口方便 ,可靠性高的 PD IUSBD12芯片搭建 USB接口電路與計算機通信 ,使該 SSI - USB轉換器的應用具有普遍性。同時也為 SSI - USB轉換器應用在其他領域提供了參考。


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