U盤多參數電能耗用記錄儀的設計與實現(xiàn)

徐愛鈞,裴 順,吳子平 (長江大學電子信息學院,湖北荊州434023)

所有工業(yè)企業(yè)都會涉及電能耗用問題。為了提高用電效率,對企業(yè)的電能耗用狀態(tài)進行有效分析、合理分配各部門用電指標、錯開峰谷用電時間等具有重要意義。電能耗用參數的采集和保存一直是現(xiàn)場工程師關心的問題,尤其是在數據量大、采集時間長的場合,如何對數據進行安全有效的保存和分析顯得格外重要。U盤作為新型移動存儲設備,以體積小、速度快、抗震動、通用性強的特點備受青睞。以U盤作為存儲介質來保存企業(yè)的電能耗用參數,可以有效提高數據保存可靠性。筆者采用USB-Host器件CH375[1],結合8051單片機設計的U盤多參數電能耗用記錄儀,直接以單片機對U盤進行讀寫操作,將現(xiàn)場采集的各類電能耗用數據按文件方式存儲,并且可以方便地與PC等上位機進行數據交換,從而達到現(xiàn)場進行數據采集、室內進行數據分析的要求,特別適合于長時間、大容量數據采集的場合。

1 USB海量存儲協(xié)議與文件系統(tǒng)

USB通信以分層方式進行,總體上可分為功能層、USB設備層和總線接口層。USB通信協(xié)議規(guī)范較為復雜,其中海量存儲協(xié)議包括CBI、Bulk-Only、ATA和 UFI等4個獨立的子類規(guī)范。前2個子規(guī)范定義了數據/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法,后2個子規(guī)范定義了存儲介質的操作命令,ATA命令規(guī)范用于硬盤,UFI命令規(guī)范則是針對USB移動存儲制定的。U盤屬于USB家族內的海量存儲[2]設備,其與主機之間采用控制/批量/中斷 (CBI)方式或批量 (Bulk_Only)方式進行通信。

U盤在能夠進行數據保存之前必須先按某個文件系統(tǒng)[3]的規(guī)定進行格式化,FAT16文件系統(tǒng)因具有高度兼容性而被廣泛應用于 U盤之類的移動存儲設備中。FAT16文件系統(tǒng)結構分為5個部分,即MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū),具體內容如下:①MBR區(qū)。該區(qū)又稱為主引導記錄區(qū),其后為64字節(jié)的磁盤分區(qū)表DPT(Disk Partition Table),U盤一般只有一個分區(qū),通常沒有DPT區(qū)。②DBR區(qū)。該區(qū)即操作系統(tǒng)引導記錄區(qū),占用分區(qū)的第0扇區(qū),共512字節(jié),由跳轉指令、結束標志等組成。③FAT區(qū)。該區(qū)存放文件分配表,文件分配表與數據區(qū)簇號一一對應,反映了所有簇的使用情況。每個表項單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT16的表項單元為16位。FAT表一般都有一個備份。④FDT區(qū)。該區(qū)存放文件目錄表,位于備份FAT表之后。FDT由32位線性目錄項構成,記錄著根目錄下每個文件或子目錄的起始單元、屬性等。FDT大小為32個扇區(qū),最多可以保存512個目錄項。⑤DATA區(qū)。該區(qū)是真正意義上的數據存儲區(qū),位于FDT之后,占據U盤上的大部分空間。

當U盤格式化為FAT16分區(qū)時,文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當成整塊可分配的區(qū)域進行規(guī)劃,以便進行數據存儲。通常將U盤空間以一定數目的扇區(qū)為單位進行劃分,這樣的單位稱為簇,簇的大小為2n個扇區(qū) (n為整數),每個扇區(qū)512字節(jié),每個簇的最大存儲空間為32KB。

2 通用USB接口芯片CH375

CH375是一種USB總線通用接口芯片,支持Host主機方式和Slave設備方式。該芯片內部集成了PLL倍頻器、主從USB接口、數據緩沖區(qū)、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸的協(xié)議處理器、通用的固件程序等。CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制以及中斷輸出信號,可以方便地與單片機進行接口,單片機通過CH375按照相應的USB協(xié)議與其他USB設備進行通信。CH375芯片具有如下特點:①支持全速USB V1.1規(guī)范,支持動態(tài)切換主機與設備方式,外圍元器件只需要1個晶振和2個電容;②主機端點輸入和輸出緩沖區(qū)各64字節(jié),支持常用的12Mbps全速USB設備;③支持USB設備的控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸;④自動檢測USB設備的連接和斷開,提供設備連接和斷開的事件通知;⑤內置控制傳輸協(xié)議處理器,簡化了常用的控制傳輸;⑥并行接口包括8位數據總線和4根控制線 (即讀選通、寫選通、片選輸入和中斷輸出);⑦串行接口包括串行輸入、串行輸出和中斷輸出,支持通信波特率動態(tài)調整;⑧支持5 V電源電壓和3.3V電源電壓。

3 硬件系統(tǒng)設計

筆者設計的U盤多參數電能耗用記錄儀硬件電路如圖1所示,其核心為NXP公司推出的增強型8051兼容單片機P89C51RD2,該單片機具有64K片內FLASH程序存儲器,可在系統(tǒng)中編程(ISP)和在應用中編程 (IAP)。電網中的電壓和電流信號通過較高精度的互感器變換成1V左右的交流信號,同時使記錄儀與強電隔離,對隔離后的交流信號進行整形和濾波,再通過雙積分式A/D轉換器7135轉換成數字量送入單片機處理,完成對電壓、電流、功率因數等參數的測量。采用積分式A/D轉換器可以有效地抑止工頻干擾,對測量結果進行數字濾波可以進一步提高抗干擾能力。單片機根據實時時鐘芯片DS1302提供的時間,按高峰和低谷時間對耗電量進行分時計度,計算出瞬時電量、整點電量、總需量等參數。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

CH375S采用USB-Host主機方式,通過并行接口掛接到單片機系統(tǒng)總線上,實現(xiàn)單片機與CH375芯片之間的USB主機控制接口。為使CH375工作于并口方式,應將CH375的TXD和RXD引腳接地。CH375芯片的8位雙向數據總線D7～D0直接與單片機的P0口相連。地址輸入線A0連接至單片機的P2.0引腳,當A0為高電平時選擇命令端口,向CH375寫入操作命令;當A0為低電平時選擇數據端口,對CH375進行數據讀寫。片選端CS連接到單片機的P2.7引腳,該引腳為低電平時選通CH375芯片。讀、寫信號端RD和WR分別連接到單片機的讀選通和寫選通引腳。中斷請求信號端INT連接到單片機的外部中斷輸入INT0引腳,低電平有效。考慮到讀寫U盤時一般以扇區(qū)方式進行,為了提高讀寫效率,在單片機外部擴展了32KB的RAM芯片62256,作為數據文件緩沖區(qū),一般來說緩沖區(qū)越大,數據讀寫效率越高。

該記錄儀采用點陣圖形液晶作為本地顯示接口,控制芯片為SED1335,這樣既可以文本模式顯示所采集的數據,也可以圖形方式顯示數據曲線。系統(tǒng)外擴矩陣鍵盤用于設定數據采集間隔、采集時間等,單片機根據用戶設定的參數定時進行數據采集,并自動將采集得到的數據通過CH375存儲到U盤之中。當U盤中數據即將存滿時,系統(tǒng)將顯示報警,提醒用戶及時更換U盤。

4 系統(tǒng)軟件設計

CH375不僅是一種通用的USB-Host硬件接口芯片,還內置了控制傳輸的協(xié)議處理器和處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通訊協(xié)議固件,支持Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC或等效命令集,這使得USB控制傳輸過程大為簡化,非常便于用戶編程。單片機根據FAT文件系統(tǒng)對U盤完成如下操作:①創(chuàng)建文件。在FDT中申請新的目錄項。②寫文件。寫一個新文件時,需在FAT表中查找未使用的簇,并將該簇號寫入文件對應目錄數據結構中的起始簇號位置。當文件長度大于一簇時,需要在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一個可用簇的簇號,直到文件的最后一簇。若U盤中有備份FAT表,還需要在備份FAT表的相應位置填入正確的內容。③刪除文件。除了將FDT中對應的目錄項設置相應的標志外,還要修改FAT表及備份FAT表,將要刪除文件所使用的簇號位置清零,表示該簇當前未被使用。由于在FAT16中子目錄被視為特殊文件,對其操作類似于文件操作,不再贅述。

通過CH375構建的FAT16文件系統(tǒng)對用戶提供各種 API函數,如創(chuàng)建文件函數CH375_Creat_File()、寫入文件函數CH375_Write_File()、刪除文件函數CH375_Delete_File()等,執(zhí)行這些API函數將調用CH375與海量存儲設備對應的命令,如SET_USB_MODE、DISK_READ、DISK_WRITE等。

在U盤中創(chuàng)建文件并向其中寫入數據的流程圖如圖2所示。用FAT16文件系統(tǒng)存儲文件時最小單元為簇,即使一個很小的文件也會占用一簇。為了節(jié)約存儲空間,創(chuàng)建文件時如果有同名文件存在,則只需要向原來的同名文件追加數據。

軟件設計還包括液晶驅動、A/D轉換驅動以及鍵盤驅動等,其中液晶驅動程序較為復雜,包括初始化液晶、讀寫參數子程序、寫命令子程序、建坐標子程序、繪圖子程序、漢字寫入子程序等。

圖2 在U盤中創(chuàng)建文件并向其中寫入數據的流程圖

5 結 語

采用單片機和CH375設計的U盤多參數電能耗用記錄儀,可以對現(xiàn)場耗電數據進行實時采集,并及時保存到U盤中。利用U盤的良好移動性,可方便地實現(xiàn)與計算機進行數據交換,從而達到現(xiàn)場數據采集、室內數據分析的目的。此外,還可以通過記錄儀鍵盤命令隨時讀取U盤中的數據,從液晶顯示屏幕上以文本或曲線方式進行顯示。基于CH375實現(xiàn)的USB-Host接口硬件結構可以方便地在其他嵌入式處理器上實現(xiàn),其核心的文件層協(xié)議棧采用單片機高級語言C51[4]編寫,具有良好的移植性。隨著USB移動存儲性能的不斷提高,U盤容量越來越大,其價格越來越便宜,基于CH375實現(xiàn)U盤多參數電能耗用記錄儀將會得到廣泛的應用。

[1]張念淮,江浩.USB總線接口開發(fā)指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[2]馬偉.計算機USB系統(tǒng)原理及其主/從機設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[3]曹國飛,李全利.嵌入式USB主機文件系統(tǒng)的構建[J].計算機應用,2005,24(9):27～28.

[4]徐愛鈞,彭秀華.Keil Cx 51 V7.0單片機高級語言編程與μ Vision2應用實踐 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.