1 引言
隨著測井技術的飛速發展，各種測井數據的實時采集和處理在現代測井系統中已必不可少。傳統的地面數據采集系統與主機之間的通信模式是采用PCI總線或RS-232串行總線。PCI總線雖然有很高的傳輸率，且支持“即插即用”，但是它的擴展槽相當有限，且插拔不方便，不適合便攜式系統的要求；RS-232串行總線雖然連接方便，但是帶寬非常有限，傳輸速率較低。為了克服以上通信方式的缺點，要求尋找一種新的通信方式進行數據傳輸，而通用串行總線USB的出現很好地解決了這些問題，很容易就能實現低成本、高可靠性、高速率的數據通信。
2 USB總線簡介
USB的優點：
①速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb／s；提供低速方式，速率為1.5 Mb／s。扣除用于總線狀態控制和錯誤檢測等數據傳輸，最大理論速度也能達到1．2 Mb／s和9．6 Mb／s。
②設備安裝和配置容易。安裝USB設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備完全不用關閉計算機。所有USB設備支持熱拔插，系統對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置。
③易于擴展。通過使用Hub擴展可連接多達127個外設。標準的USB電纜長度為3m(低速為5m)，通過Hub或者中繼器可使外設距離達到30m。可以使用多種連接方式進行擴展。
④采用總線供電。USB總線可為連接在其上的設備提供5V電壓／lOOmA電流的供電。USB設備也可采用自供電方式，或者兩者結合的方式。
⑤使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸，以適應不同設備的需要。
3 硬件電路設計
由測井儀器送至地面的信號有三類：模擬信號、脈沖信號以及編碼信號，所以地面數據采集系統首先對這三種不同的信號進行預處理，然后送至各自的通道進行數據采集再通過USB總線將數據傳送至上位機進行實時的處理。系統硬件框圖如圖1所示。
圖1系統硬件框圖
由井下傳送至地面的模擬信號、脈沖信號、編碼信號分別經過相應接口面板的凋理后，進入A／D轉換器(MAXl97)、脈沖計數器(82C54)、解調器，在CPU的控制下，實現控制算法，進行相應的數據采集、解碼，并將采集到的數據存放在相應的RAM中。另一方面，CPU還要完成USB協議處理、響應USB接口芯片的中斷處理、完成數據交換，同時還有一些附加功能(如驅動數控面板的LCD顯示等)，由于單片機自身資源的有限，僅僅使用一片單片機難以勝任，為此我們擴展了一片單片機(兩片單片機均為AT89S52)，采用多單片機分配任務、協同工作，讓一片單片機實現采集控制，另外一片實現USB協議下的實時數據通信。
使用多單片機固然能按要求實現任務，但兩片單片機之間的數據通信問題也隨之而來。傳統的多單片機之間的通信是通過串口來實現的。但在設計中，由于采集單片機的數據量非常大，若使用串口進行通信，由于單片機的串行寄存器SBUF只能保留一個字節的數據，必然造成采集數據的嚴重丟失或錯誤。針對這樣問題，在設計中采用了采集單片機與通信單片機之間通過雙端口RAM(ID’F7132)共享數據的方案，它一方面可以存儲采集單片機采集到的數據，另一方面可以實現兩單片機之間的高速、實時數據通信。
USB接口芯片采用Philips公司的PDIUS—BDl2(簡稱D12)，可以實現4種不同的模式：非同步模式、同步輸出模式、同步輸入模式以及同步輸入／輸出模式。D12與通信CPU的電路連接如圖2所示。
圖2 AT89S52與PDIUSBDl2的接口電路圖
這里D12使用的是多路地址／數據總線配置方式，單片機的INT—N應配置為電平觸發中斷。D12在ALE下降沿的時候對單片機的輸出地址進行鎖存。這種方式下，單片機也是使用指令MOVX對D12進行操作，倘若輸出的地址為奇數表示對D12發送指令，輸出的地址為偶數時，則表示對D12進行數據傳輸。D12的地址由片選信號(P2的任一口線)決定。USB設備采用自供電方式，將EOT引腳需要通過串聯電阻連接到Vbus上，使用EOT來檢測USB總線是否連接上，只有連接上USB總線，單片機發送的命令才有效。
4 軟件設計
4.1 固件程序的設計
固件程序是指被固化到AT89S52中FLASH中的程序，它是設備運行的核心，其主要功能是控制USB接口芯片接收并處理USB驅動程序的請求(如請求設備描述符、請求或設置設備狀態、請求設備設置、請求或設置設備接口等USB標準請求)；控制USB接口芯片接收應用程序的控制指令；將存儲在雙口RAM中的數據通過USB控制器實時上傳至PC。
USB控制器的工作原理是：當USB控制器從USB總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求時，USB控制器通過中斷方式將此請求通知USB接口系統，接口系統通過訪問USB控制器的狀態寄存器獲得與此傳輸有關的各種參數，并根據具體傳輸參數，對USB控制器的控制寄存器和數據寄存器進行相應的操作，以完成主機的傳輸請求。
4.2 設備驅動程序的設計
USB驅動程序是支持即插即用功能的標準WDM驅動程序，結構如圖3所示。Windows對構成一個USB總線主機的不同軟件部分進行了十分清楚的劃分，其中USB總線客戶軟件包含了用來控制不同USB總線外設的設備驅動程序，它通過Windows所定義的軟件接口與根集線器驅動程序進行通信，而USB根集線器驅動程序則要通過包含在USBD中的USBDI(通用串行總線驅動程序接口)實現與通用串行總線驅動程序(USBD)的通信。然后，USBD會選擇兩種主控制器驅動程序(HCD)之一同其下方的主控制器進行通信。最后，主控制器驅動程序會贏接實現對USB物理總線的訪問(通過PCI枚舉器軟件)。
圖3 USB驅動程序體系結構
開發設備驅動程序需要專門的開發工具，目前常用的開發工具有Windows DI)K和Driver—Studio。NuMega公司開發的DriverStudio是一個強大的開發工具包，它包括VtoolsD、Driver—Works、DriverNetworks和調試工具SoftlCE等等。用DriverWorks開發基于WDM的USB設備驅動程序時，將自動生成WDM的工程文件，通常包括5個*．h和2個*．cpp文件，此外還自動生成*．inf文件，開發者只要根據自己的需要稍做修改即可。
·USBLOG．cpp：包括DriverEntry()、LOAdRegisrtyParameters()、AddI)evice()例程，主要實現初始化設備的功能。
·USBLOGDevice．cpp：主要實現電源管理、系統控制、設備的移除、設備的開始等功能。
·USBLOG．inf：設備的安裝文件，說明設備的安裝信息。
4.3 應用程序的設計
應用軟件由兩部分組成：動態鏈接庫和應用程序。動態鏈接庫負責與內核態的USB功能驅
動程序通信并接收應用程序的各種操作請求，而應用程序負責對地面系統采集、處理的各種數據進行實時繪圖顯示、分析、打印和存盤等。軟件設計可以采用Visual C++等。
5 結束語
將USB技術應用到便攜式數控測井系統中，可以使上、下位機之間的數據傳輸速率和誤碼率得到明顯的改善，傳輸速率能達到8Mbps以上，誤碼率能降至10-7以下。應用USB技術，可以大大降低數據的丟失率，使采集的數據得到實時顯示，同時，為便攜式數控測井系統接口的簡便化、高速化和可靠性打下堅實的基礎。
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本文標題：USB總線在便攜式數控測井系統中的應用
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