楊青青，尤文斌

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

Yang Qingqing, You Wenbin

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education, North University of China ,Taiyuan 030051, China)

0 引言

隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展，對(duì)自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)的要求也不斷提高。為了保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可靠性、有效性，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的研究和改進(jìn)從未停止。無線通信技術(shù)日漸成熟，采用無線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸具有成本低廉、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好以及開發(fā)周期短的特點(diǎn)[1]。因此本文采用基于USB接口的無線數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，充分利用計(jì)算機(jī)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)，從而使得自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀器與計(jì)算機(jī)設(shè)備組成完整的數(shù)字∕模擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)原理

基于USB的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)儀器箱之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)部分由計(jì)算機(jī)控制軟件以及NetUSB24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，USB通信接口由AT90USB162控制；下位機(jī)部分包括RF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和MSP430控制電路，單片機(jī)MSP430負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送以及ADDA轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能。

1.2 上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)電路包括NetUSB24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、USB接口電路以及計(jì)算機(jī)控制軟件3個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。NetUSB-24L01數(shù)據(jù)傳輸模塊與計(jì)算機(jī)之間通過USB接口電路連接，核心芯片為ATMEL公司的AT90USB162芯片，該芯片是一款高性能、低功耗的8位嵌入式USB微控制器，旨在加強(qiáng)USB無線通信功能；系統(tǒng)內(nèi)部具有8K/16K字節(jié)大小的可編程存儲(chǔ)器，有利于提高讀寫能力[4]。同時(shí)它還具有USB 2.0全速設(shè)備模塊，完全符合通用串行總線規(guī)范2.0規(guī)則，數(shù)據(jù)傳輸速率為12兆位/秒[5]；擁有完全獨(dú)立的176個(gè)字節(jié)的USB雙向RAM用以進(jìn)行端點(diǎn)內(nèi)存分配。

圖2 上位機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖

無線收發(fā)模塊要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，本文采用的方法是上下位機(jī)的無線芯片都初始化為接收狀態(tài)，僅當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才配置成發(fā)送模式，發(fā)送完畢后立刻配置成接收模式。上位機(jī)需要給下位機(jī)傳遞控制命令，而下位機(jī)需要向上位機(jī)傳遞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)、命令、狀態(tài)等不同的信息，每個(gè)數(shù)據(jù)包的第一個(gè)字節(jié)采用采用編碼區(qū)分信息內(nèi)容，每包數(shù)據(jù)大小為32個(gè)字節(jié)。信息格式如表1所示。

表1 信息格式

其中，用0x55代表發(fā)送的是命令，0xAA代表數(shù)據(jù)，命令包含無線通信測試命令0x11、階躍波輸出命令0x00、正弦波輸出命令0x01、階躍波輸出命令0x10四種。

1.3 下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

下位機(jī)包括單片機(jī)控制電路和RF24L01模塊兩個(gè)部分，單片機(jī)控制電路的核心控制芯片為MSP430FG4618，該單片機(jī)不僅能控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，還能將數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D或D/A轉(zhuǎn)換，輸出滿足用戶需求的數(shù)據(jù)信息。RF24L01無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用的是同步串行通信方式（SPI）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收[6]。下位機(jī)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖

單片機(jī)MSP430FG4618工作于串行同步通信模式，采用串行外圍設(shè)備接口SPI總線技術(shù)，其硬件功能很強(qiáng)，SPI總線上可以連接多個(gè)可作為主機(jī)的微控制器（MCU）、裝有SPI接口的輸入、輸出設(shè)備，但在任一瞬間只允許一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)[7]。本文將微控制芯片MSP430FG4618作為主機(jī)，RF24L01無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊作為從機(jī)，下位機(jī)接口電路如圖4所示。

圖4 下位機(jī)接口電路圖

單片機(jī)首先配置為接收狀態(tài)，接收來自上位機(jī)的命令信息，根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)源波形，包括正弦波、階躍波、方波和單位加速度信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出給實(shí)驗(yàn)儀器箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后單片機(jī)配置為發(fā)送狀態(tài)，將經(jīng)過A/D采樣獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過RF24L01模塊發(fā)送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示，其具體工作流程如圖5所示。

圖5 單片機(jī)工作流程圖

2 計(jì)算機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)用戶應(yīng)用軟件采用VC++語言編寫，采用VC6.0軟件開發(fā)[8]，設(shè)計(jì)目的是軟件模擬示波器的功能，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波形顯示以及用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幾種常用的處理，包括：波形的放大、縮小和測量，數(shù)據(jù)的讀取、保存以及信號(hào)源選擇等操作，其應(yīng)用程序界面如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示軟件界面

軟件的工作流程如圖7所示。首先測試無線通信是否正常，如果通信正常則配置為接收狀態(tài)，接收實(shí)驗(yàn)結(jié)果并在圖形顯示區(qū)域上顯示，如果無線通信不正常，則多次重發(fā)測試命令，直到正確建立了無線通信連接為止。

圖7 軟件工作流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為上位機(jī)接收并顯示的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的基于USB的自動(dòng)控制儀器箱無線通信接口的數(shù)據(jù)傳輸有效距離為50米，發(fā)送接收數(shù)據(jù)傳輸率高、系統(tǒng)穩(wěn)定。

另外，該無線數(shù)據(jù)接口可通過軟件配置數(shù)據(jù)發(fā)送和接收地址，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)通信和多點(diǎn)通信，即一個(gè)上位機(jī)用戶可以接收到多個(gè)電子設(shè)備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)多個(gè)上位機(jī)用戶可以共享同一個(gè)電子設(shè)備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以用于不同場合下電子設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)通信，通用性強(qiáng)。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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