1 引言

在许多工业控制和数据采集系统中，为了实现系统的小型化和便携化，通常采用上下位机形式的主从式结构。

由于MCU（微控制器）成本低，编程灵活、方便，实时性强，且具有一定的智能，因而通常使用它作为下位机的主控芯片，负责对现场数据的采集与传输，并控制相应的执行机构。上位机一般使用普通的PC机、笔记本电脑或工控机，负责对下位机传来的数据进行分析处理, 并根据处理结果控制下位机的操作。上下位机之间的数据通信接口目前一般使用RS-232和USB总线接口标准，相对于RS-232，USB 具有高速传输、热插拔、即插即用等优点。在本系统中，为了保证下位机高速采样数据能及时传送给上位机进行分析处理，我们采用USB总线来实现上下位机的数据传输。

2 系统的硬件构成

系统主要由PC机，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插头，USB100模块。图1是其系统构成框图。

2.1 C8051F020微控制器

我们选择美国Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（简称F020）作为数据采集系统的CPU。F020是一种混合信号SOC型8位单片机，它有一个8通道的、转换速率为100Kbps的12位ADC，以及一个8通道的、转换速率为500Kbps的8位ADC；2个12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22个中断源和5个定时器/计数器。该MCU属于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能价格比在目前应用领域极具竞争力，它具有以下主要特点：1）芯片采用高速流水线结构；2）先进的JTAG调试接口；3）可靠的安全机制可利用JTAG编程加密芯片；4）强大的控制功能。有多达64个I/O线，有独特数字交叉开关(digital crossbar)，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚；5）有多达22个中断源。　　

2.2 USB100

USB100内部封装了USB1.1的全部协议，并带有384字节的发送缓冲区和128字节的接收缓冲区，8位并行数据接口。对USB的操作编程类似对外部存储器的操作，由于该模块完成了全部USB协议的转换和封装，使得对USB的开发和应用过程变得非常简单，用户只要在PC机上安装USB100模块驱动程序以后，对其编程可以按照与串口完全一样的方法来完成。USB100主要的管脚及功能如表1 所示（未列出的管脚为空脚）。

表1 USB管脚功能和定义


如图2所示，当检测到USB100模块TXE为低时，表示内部发送缓冲区允许发送数据，可以将数据通过8位数据总线D0～D7发送给USB100模块，发送数据锁存由WR控制（边沿触发）；当TXE为高时，禁止发送数据。[page]

如图3所示，当检测到USB100模块RXF为低时，表示内部接收缓冲区有来自USB端口的数据可通过8位数据线将数据读入，接收数据锁存器由RD控制（边沿触发）。

USB100模块的数据线D0～D7与F020的P4端口相连，P2.4～P2.7分别与USB100模块的TXE、RXF、WR、RD相连。

3 系统通信的设计

动态测试仪的任务主要是进行数据采集和定时/计数，并将这些数据传给上位机进行数据处理，这就要求上下位机之间的通信有清晰、准确的通信协议，来保证数据通信能够有条不紊地进行。

为了满足上、下位机软件的可扩展性和通用性，通信协议采用数据帧的形式传输信息。协议帧格式见表2，它由起始符、长度码、帧信息、帧校验和终止符组成，成帧过程中采用了字符插入法和HEX校验。

表2 协议帧格式

1）成帧方式

协议帧使用“DLE STX”作为起始符，使用“DLE ETX”作为终止符，并采用字符插入法保证通信信息的正确。字符插入法的实现方法为：发送方搜索起始符和终止符间每个字节信息，若为“DLE”，即在该字节信息后插入一个“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整个帧，若查找到连续两个“DLE”，即将后一个 “DLE”删除，还原成原信息内容。
　　
2）帧校验算法

协议帧采用HEX校验保证通信信息的正确。HEX校验的填充在字符插入之前实现，HEX校验的验证在插入字符删除之后实现。实现方法为：发送方计算起始符和终止符间待发送数据的校验和，然后将256与该校验和的差填充于“HEX校验”字节处。接收方计算起始符和终止符间包括HEX字节在内的接收数据校验和，若为0，则校验通过。 关键字：USB接口  通用测试仪  单片机