徐愛(ài)鈞,裴 順,吳子平 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州434023)

所有工業(yè)企業(yè)都會(huì)涉及電能耗用問(wèn)題。為了提高用電效率,對(duì)企業(yè)的電能耗用狀態(tài)進(jìn)行有效分析、合理分配各部門用電指標(biāo)、錯(cuò)開(kāi)峰谷用電時(shí)間等具有重要意義。電能耗用參數(shù)的采集和保存一直是現(xiàn)場(chǎng)工程師關(guān)心的問(wèn)題,尤其是在數(shù)據(jù)量大、采集時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)合,如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備,以體積小、速度快、抗震動(dòng)、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)備受青睞。以U盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)保存企業(yè)的電能耗用參數(shù),可以有效提高數(shù)據(jù)保存可靠性。筆者采用USB-Host器件CH375[1],結(jié)合8051單片機(jī)設(shè)計(jì)的U盤多參數(shù)電能耗用記錄儀,直接以單片機(jī)對(duì)U盤進(jìn)行讀寫操作,將現(xiàn)場(chǎng)采集的各類電能耗用數(shù)據(jù)按文件方式存儲(chǔ),并且可以方便地與PC等上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的要求,特別適合于長(zhǎng)時(shí)間、大容量數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。

1 USB海量存儲(chǔ)協(xié)議與文件系統(tǒng)

USB通信以分層方式進(jìn)行,總體上可分為功能層、USB設(shè)備層和總線接口層。USB通信協(xié)議規(guī)范較為復(fù)雜,其中海量存儲(chǔ)協(xié)議包括CBI、Bulk-Only、ATA和 UFI等4個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范。前2個(gè)子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法,后2個(gè)子規(guī)范定義了存儲(chǔ)介質(zhì)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(duì)USB移動(dòng)存儲(chǔ)制定的。U盤屬于USB家族內(nèi)的海量存儲(chǔ)[2]設(shè)備,其與主機(jī)之間采用控制/批量/中斷 (CBI)方式或批量 (Bulk_Only)方式進(jìn)行通信。

U盤在能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)保存之前必須先按某個(gè)文件系統(tǒng)[3]的規(guī)定進(jìn)行格式化,FAT16文件系統(tǒng)因具有高度兼容性而被廣泛應(yīng)用于 U盤之類的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為5個(gè)部分,即MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū),具體內(nèi)容如下:①M(fèi)BR區(qū)。該區(qū)又稱為主引導(dǎo)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(gè)分區(qū),通常沒(méi)有DPT區(qū)。②DBR區(qū)。該區(qū)即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū),占用分區(qū)的第0扇區(qū),共512字節(jié),由跳轉(zhuǎn)指令、結(jié)束標(biāo)志等組成。③FAT區(qū)。該區(qū)存放文件分配表,文件分配表與數(shù)據(jù)區(qū)簇號(hào)一一對(duì)應(yīng),反映了所有簇的使用情況。每個(gè)表項(xiàng)單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT16的表項(xiàng)單元為16位。FAT表一般都有一個(gè)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(xiàng)構(gòu)成,記錄著根目錄下每個(gè)文件或子目錄的起始單元、屬性等。FDT大小為32個(gè)扇區(qū),最多可以保存512個(gè)目錄項(xiàng)。⑤DATA區(qū)。該區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),位于FDT之后,占據(jù)U盤上的大部分空間。

當(dāng)U盤格式化為FAT16分區(qū)時(shí),文件系統(tǒng)就將這個(gè)分區(qū)當(dāng)成整塊可分配的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通常將U盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分,這樣的單位稱為簇,簇的大小為2n個(gè)扇區(qū) (n為整數(shù)),每個(gè)扇區(qū)512字節(jié),每個(gè)簇的最大存儲(chǔ)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(jī)方式和Slave設(shè)備方式。該芯片內(nèi)部集成了PLL倍頻器、主從USB接口、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制以及中斷輸出信號(hào),可以方便地與單片機(jī)進(jìn)行接口,單片機(jī)通過(guò)CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與其他USB設(shè)備進(jìn)行通信。CH375芯片具有如下特點(diǎn):①支持全速USB V1.1規(guī)范,支持動(dòng)態(tài)切換主機(jī)與設(shè)備方式,外圍元器件只需要1個(gè)晶振和2個(gè)電容;②主機(jī)端點(diǎn)輸入和輸出緩沖區(qū)各64字節(jié),支持常用的12Mbps全速USB設(shè)備;③支持USB設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸;④自動(dòng)檢測(cè)USB設(shè)備的連接和斷開(kāi),提供設(shè)備連接和斷開(kāi)的事件通知;⑤內(nèi)置控制傳輸協(xié)議處理器,簡(jiǎn)化了常用的控制傳輸;⑥并行接口包括8位數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)調(diào)整;⑧支持5 V電源電壓和3.3V電源電壓。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的U盤多參數(shù)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(qiáng)型8051兼容單片機(jī)P89C51RD2,該單片機(jī)具有64K片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器,可在系統(tǒng)中編程(ISP)和在應(yīng)用中編程 (IAP)。電網(wǎng)中的電壓和電流信號(hào)通過(guò)較高精度的互感器變換成1V左右的交流信號(hào),同時(shí)使記錄儀與強(qiáng)電隔離,對(duì)隔離后的交流信號(hào)進(jìn)行整形和濾波,再通過(guò)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器7135轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)處理,完成對(duì)電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的測(cè)量。采用積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以有效地抑止工頻干擾,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波可以進(jìn)一步提高抗干擾能力。單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302提供的時(shí)間,按高峰和低谷時(shí)間對(duì)耗電量進(jìn)行分時(shí)計(jì)度,計(jì)算出瞬時(shí)電量、整點(diǎn)電量、總需量等參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

CH375S采用USB-Host主機(jī)方式,通過(guò)并行接口掛接到單片機(jī)系統(tǒng)總線上,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與CH375芯片之間的USB主機(jī)控制接口。為使CH375工作于并口方式,應(yīng)將CH375的TXD和RXD引腳接地。CH375芯片的8位雙向數(shù)據(jù)總線D7～D0直接與單片機(jī)的P0口相連。地址輸入線A0連接至單片機(jī)的P2.0引腳,當(dāng)A0為高電平時(shí)選擇命令端口,向CH375寫入操作命令;當(dāng)A0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口,對(duì)CH375進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。片選端CS連接到單片機(jī)的P2.7引腳,該引腳為低電平時(shí)選通CH375芯片。讀、寫信號(hào)端RD和WR分別連接到單片機(jī)的讀選通和寫選通引腳。中斷請(qǐng)求信號(hào)端INT連接到單片機(jī)的外部中斷輸入INT0引腳,低電平有效?？紤]到讀寫U盤時(shí)一般以扇區(qū)方式進(jìn)行,為了提高讀寫效率,在單片機(jī)外部擴(kuò)展了32KB的RAM芯片62256,作為數(shù)據(jù)文件緩沖區(qū),一般來(lái)說(shuō)緩沖區(qū)越大,數(shù)據(jù)讀寫效率越高。

該記錄儀采用點(diǎn)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(shù)據(jù),也可以圖形方式顯示數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)外擴(kuò)矩陣鍵盤用于設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔、采集時(shí)間等,單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并自動(dòng)將采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)CH375存儲(chǔ)到U盤之中。當(dāng)U盤中數(shù)據(jù)即將存滿時(shí),系統(tǒng)將顯示報(bào)警,提醒用戶及時(shí)更換U盤。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CH375不僅是一種通用的USB-Host硬件接口芯片,還內(nèi)置了控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)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(guò)程大為簡(jiǎn)化,非常便于用戶編程。單片機(jī)根據(jù)FAT文件系統(tǒng)對(duì)U盤完成如下操作:①創(chuàng)建文件。在FDT中申請(qǐng)新的目錄項(xiàng)。②寫文件。寫一個(gè)新文件時(shí),需在FAT表中查找未使用的簇,并將該簇號(hào)寫入文件對(duì)應(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的起始簇號(hào)位置。當(dāng)文件長(zhǎng)度大于一簇時(shí),需要在FAT表中對(duì)應(yīng)的起始簇號(hào)位置填入下一個(gè)可用簇的簇號(hào),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(yīng)位置填入正確的內(nèi)容。③刪除文件。除了將FDT中對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志外,還要修改FAT表及備份FAT表,將要?jiǎng)h除文件所使用的簇號(hào)位置清零,表示該簇當(dāng)前未被使用。由于在FAT16中子目錄被視為特殊文件,對(duì)其操作類似于文件操作,不再贅述。

通過(guò)CH375構(gòu)建的FAT16文件系統(tǒng)對(duì)用戶提供各種 API函數(shù),如創(chuàng)建文件函數(shù)CH375_Creat_File()、寫入文件函數(shù)CH375_Write_File()、刪除文件函數(shù)CH375_Delete_File()等,執(zhí)行這些API函數(shù)將調(diào)用CH375與海量存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。用FAT16文件系統(tǒng)存儲(chǔ)文件時(shí)最小單元為簇,即使一個(gè)很小的文件也會(huì)占用一簇。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間,創(chuàng)建文件時(shí)如果有同名文件存在,則只需要向原來(lái)的同名文件追加數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)還包括液晶驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)以及鍵盤驅(qū)動(dòng)等,其中液晶驅(qū)動(dòng)程序較為復(fù)雜,包括初始化液晶、讀寫參數(shù)子程序、寫命令子程序、建坐標(biāo)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(shù)據(jù)的流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

采用單片機(jī)和CH375設(shè)計(jì)的U盤多參數(shù)電能耗用記錄儀,可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并及時(shí)保存到U盤中。利用U盤的良好移動(dòng)性,可方便地實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析的目的。此外,還可以通過(guò)記錄儀鍵盤命令隨時(shí)讀取U盤中的數(shù)據(jù),從液晶顯示屏幕上以文本或曲線方式進(jìn)行顯示?；贑H375實(shí)現(xiàn)的USB-Host接口硬件結(jié)構(gòu)可以方便地在其他嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn),其核心的文件層協(xié)議棧采用單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51[4]編寫,具有良好的移植性。隨著USB移動(dòng)存儲(chǔ)性能的不斷提高,U盤容量越來(lái)越大,其價(jià)格越來(lái)越便宜,基于CH375實(shí)現(xiàn)U盤多參數(shù)電能耗用記錄儀將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

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