基于USB接口的多節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫系統

基于USB接口的多節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫系統      溫度監測在土木建筑施工、儲糧倉庫、智能樓宇、空調系統以及其他工農業(yè)生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛的應用。傳統的測溫方法是在各監測點(diǎn)布置溫度探頭，由專(zhuān)人每天定時(shí)采集各點(diǎn)的溫度數據，再輸入電腦保存，并生成溫度、應力的變化曲線(xiàn)和測試報告，也有一些是通過(guò)數據采集箱采集溫度和應力數據，然后通過(guò)電纜上傳電腦做進(jìn)一步的數據處理。
傳統的測量方法需要監測人員頻繁來(lái)往于施工現場(chǎng)，勞動(dòng)強度大，數據采集和傳輸不方便，信息管理的自動(dòng)化程度低，難于滿(mǎn)足現代信息化監測的要求。為了提高測溫數據采集的準確性、可靠性、及時(shí)性，同時(shí)實(shí)現溫度和應力數據的智能化、信息化管理，本文針對大規模建筑施工監測等工程應用的要求，設計了一種基于無(wú)線(xiàn)數據傳輸和USB接口的多節點(diǎn)遠程溫度監測系統。
通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸，一方面拓展了節點(diǎn)分機布置的空間范圍，另一方面大大縮短了測溫電纜的長(cháng)度以方便布線(xiàn)。USB接口實(shí)現了將各節點(diǎn)分機的測溫數據向主機的快速傳輸，取代了傳統的RS 232等接口形式，大大方便了與主機的連接。主機軟件完成數據的轉換、存儲、曲線(xiàn)和報表生成，實(shí)現混施工監測的信息化管理，也可以構建一個(gè)Web服務(wù)器，實(shí)現信息的異地監測。
2 測溫系統的整體構造
測溫系統是由主機、通信機和測溫節點(diǎn)分機構成， 

其中溫度信號通過(guò)埋植在現場(chǎng)的傳感器傳輸到節點(diǎn)分機，節點(diǎn)分機內部集成了調理電路和信號采集模塊，以及由微處理器控制的存儲模塊和通信模塊，一個(gè)節點(diǎn)分機最多可以處理64路溫度信號，測溫分機以主機設定的時(shí)間間隔通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)方式經(jīng)通信機向主機傳送數據，其中通信機采用了支持USB 2.0標準的微控制器C8051F320，使傳輸的數據通過(guò)USB傳送到主機，PC機在軟件支持下對數據進(jìn)行處理并以報表以及曲線(xiàn)圖表示出來(lái)。同時(shí)，主機也可以設定分機的數據采集間隔，監測的部位，系統時(shí)間等參數。
3 USB接口在測溫系統中的應用
為了把測溫數據傳送到主機，傳統的方法是利用RS 232或RS 485總線(xiàn)與主機通信。但由于這些接口傳輸速度慢，近年來(lái)，逐步被USB接口所取代。目前USB成為PC機的標準接口已經(jīng)是大勢所趨，在主機(host)端，目前推出的PC機幾乎100％支持USB。鑒于此，本文采用CYGNAL公司的支持全速USB 2.0的微控制器C8051F320。該單片機>單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，具有與C8051完全兼容的CIP51內核，與MSC-51指令集完全兼容。片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件；內置FLASH程序存儲器、內部RAM以及外部數據存儲器RAM。微控制器C8051F320帶有USB接口，其功能控制模塊符合USB 2.0規范，可在全速或低速下運行，并具有1 kB USB緩存、集成收發(fā)器，無(wú)需外部電阻。Silicon lab公司提供了USBXpress的開(kāi)發(fā)套件。通過(guò)使用USBXpress庫，大大簡(jiǎn)化了USB固件程序和PC端驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。其中USB通信總體框圖如2所示。USBXpress通過(guò)一系列函數實(shí)現單片機端的應用程序接口(API)。當主機需要數據時(shí)，可將測溫節點(diǎn)分機數據通過(guò)通信機傳輸到主機中，應用程序對數據進(jìn)行波形顯示和數據分析處理。
 

4 USB通信
本系統的USB外設為非符合HID標準的設備，因此要使主機與通信機順利傳輸數據，需要編寫(xiě)三部分的程序：設備端的固件程序、主機上的設備驅動(dòng)程序以及客戶(hù)應用程序。
4.1 固件程序設計
采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，USB固件程序程序由3部分組成：
(1)初始化單片機和所有的外圍電路；包括USB控制器的初始化、端點(diǎn)初始化、交叉開(kāi)關(guān)和I／O口初始化、系統時(shí)鐘設置，控制器使能；
(2)主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；
(3)中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時(shí)間敏感的，必須馬上執行。如圖3所示。
根據USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(Host)開(kāi)始的。單片機做它的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設備，C8051F320接收到令牌包后就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀單片機的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類(lèi)型，然后執行相應的操作。
 

在USB單片機程序中，要完成對各種令牌包的響應，其中比較難處理的是SETUP包，主要是端口0的編程。本系統中主要用到了初始化、讀、寫(xiě)、中斷這4個(gè)函數：初始化USB_Init(0，0xEA61，NULL，NULL，Serial，250，0x80，0x100)函數；塊寫(xiě)函數Block_Write()；塊讀函數Block_Read()；USB中斷使能函數。USB的所有處理程序都是通過(guò)USB的中斷服務(wù)程序完成的。進(jìn)入USB中斷后，程序調用Get_Interrupt_Source()函數獲得USB中斷的進(jìn)入原因。然后根據不同的入口情況，來(lái)進(jìn)行相應的處理。比如收到數據之后，讀取相應的緩沖區內容到內存中；收到初始化命令時(shí)，復位單片機內的各個(gè)狀態(tài)參數。
4.2 USB驅動(dòng)程序
USB驅動(dòng)程序是一個(gè)軟件組件，封裝了應用程序存取硬件設備的功能函數。USB驅動(dòng)程序模型分為5層， 考慮到本系統使用了非標準類(lèi)別，需要自己開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，USB設備驅動(dòng)程序的工具使用了USBXpressDevelopment Kit。主要函數如下：SI_Open()函數；SI_Close()函數；SI_Read函數；SI_Write()函數；SI_GetNumDevices()函數；SI_CheckRXQueue()。
用戶(hù)端若要從設備讀取數據，將調用一個(gè)應用程序接口A(yíng)PI，如OpenFile，SiUSBXp.dll實(shí)現這個(gè)API。總線(xiàn)驅動(dòng)程序控制對總線(xiàn)上所有設備的訪(fǎng)問(wèn)。
4.3 用戶(hù)應用程序
主機軟件采用可視化編程工具VC 6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用數據庫Microsoft Access 2003進(jìn)行信息的管理。根據實(shí)際的系統應用要求， 

5 測溫系統在實(shí)際工程中的應用
測溫系統在某議事大廈項目中進(jìn)行了應用，該工程基礎底板平面尺寸為65.4 m×47 m，其中中間區域3、7軸線(xiàn)與B、F軸線(xiàn)之間24.0 m×21.53 m部分板厚為2.2 m；該部分周?chē)��?5個(gè)大承臺板厚為2.5 m；其余部分均為0.7 m，混凝土采用C40。
在進(jìn)行該工程基礎底板的混凝土施工過(guò)程中，本系統進(jìn)行了為期將近兩個(gè)星期的測溫使用，效果很好。圖6為自動(dòng)記錄的3號點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)。
 
基于C8051F320 USB接口的無(wú)線(xiàn)測溫系統把計算機技術(shù)與傳統信號采集技術(shù)緊密結合起來(lái)，充分發(fā)揮PC機和單片機各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現傳感器信號的采集、存儲、傳輸、顯示和處理。而借助USB接口的通信功能，減小了數據傳輸系統的復雜性，提高了傳輸速率極大地方便了系統的使用。