应用于磁致伸缩传感器的 SSI-USB转换器
1 ss i协议规范及总体设计
1. 1 ss i协议规范
ssi通讯协议是一种串行通信协议 ,其中 ssi全称为同步串行接口 ( synchronous serial interface) 。 ssi传输过程中 , 有24 /25 /26 3种编码模式。 ssi 信号包括差分同步时钟信号clock +、clock - ,差分数据信号 data +、data - , 电源vcc与地 gnd[ 1 ]。通过差分方式传输码值提高了抗干扰的能力 ,接线简单 ,增加了系统控制的可靠性。ssi通信协议的双方 ,一方发送时钟信号 ,另一方在这个时钟脉冲信号的控制下从有效位 (msb )开始同步传输数据。其中 d0～dn为数据信号 , t为一个时钟信号周期的持续时间 ; tm为单稳触发时间 , tp为数据传输间隔 ,并且 tp≥tm; msb为位 , lsb为位 [ 2 ]。
1. 2 总体设计
ssi - usb转换器的设计主要包含 2部分 : (1)向下配置参数部分 ,即通过上位机界面对传感器的相关参数进行设定 ,设定好后通过 usb接口传送给 ssi - usb转换器 ,然后 ssi - usb转换器再将接收到的配置参数信号转化为 ssi信号传送给磁致伸缩传感器。 (2)上传测量结果部分 ,即磁致伸缩传感器将测量结果通过 ssi接口传送给 ssi - usb转换器 ,然后 ssi - usb转换器再将其转化为 usb信号传送给上位机供分析计算。
2 硬件设计
ssi - usb转换器的硬件电路部分主要包括 3部分 : (1)起主控作用的单片机 ; (2)与磁致伸缩传感器相连的 ssi接口电路 ; (3)与上位机相连的 usb接口电路。
2. 1 cpu及 ss i接口部分电路
设计中 cpu 采用的是 avr 单片机 at2mega128, atmega128是 8位系列单片机中配置的一款单片机 ,应用及其广泛 [ 3 ] 。在 ssi接口部分电路的设计中采用差分平衡型收发器芯片 max490[ 4 ]将时钟信号 ssi_clk和数据信号 ssi_data分别转化为符合 ssi通信协议规范的差分信号clk + , clk - , data + , data - 信号。为了保证数据的高速传输及传输的可靠性 ,设计中采用高速光耦 6n137将 ssi_clk和 ssi_data信号与单片机的 ssi_clk1和 ssi_data1信号进行隔离。并且 6n137对输入信号具有整形的作用 ,输入的方波信号经 6n137输出后 ,输入信号原本波形较缓的上升沿和下降沿得到改善 [ 5 ]。
磁致伸缩传感器的测量结果需要传递到上位机供用户分析计算 ,且要求满足一定的更新频率如 3 m s、2 m s、1 m s、015 m s等。采用普通 i/o口模拟 ssi通信的方式 ,由于受到系统时钟周期的限制无法达到如此高的更新频率 ,故在设计上采用 sp i的主从通信 (即 ssi - usb转换器作为主机 ,磁致伸缩传感器作为从机 )代替 ssi通信 ,将 sck脚和 m iso脚引出来分别定义为ssi_clk1和 ssi_data1。即 cpu作为主机发送时钟信号 ,传感器作为从机在时钟脉冲的控制下向主机传送数据信号。而配置参数的过程中因为对数据传送速度没有过高的要求 ,可以通过采用普通 i/o口模拟 ssi通信方式实现。同样是 sck脚和 m iso脚 ,但是与上传测量结果不同之处是此时 sck脚作为数据输出脚 , m iso 脚作为时钟输入脚 ,同时将 m iso 脚接到int1脚 ,用于捕获传感器发送的时钟信号。
2. 2 usb接口电路
设计中利用 pd iusbd12 芯片来实现 usb 接口 , pd ius2bd12是一款性价比很高的 usb器件 ,可与任何外部微控制器 /微处理器实现高速并行连接 (2m 字节 / s) [ 6 ]。usb设备接口电路的硬件设计主要以 pd iusbd12为中心 ,设计它与 usb物理接口及微控制器之间的连接 [ 7 ] 。
引脚 a0通过电阻和地连接 ,这样微控制器可以向 pd ius2bd12写数据或向 pd iusbd12读取数据。pd iusbd12的 gl _n接 led,对其工作状态进行监控 , led在 usb被连接时会发光 ,在进行数据传输时会闪烁。设计中 usb总线采用的是设备自供电 ,因此将 usb接口的 vbus脚悬空。r7、r8 为串联终端电阻。pd iusbd12片内集成了 6～8 mhz时钟乘法 pll,这样就可以使用低成本的 6 mhz晶振 , e - m i也随之降低。
3 软件设计
在 ssi - usb转换器的软件设计部分 ,由于在上传传感器的测量结果的过程中要使用 sp i通信代替 ssi通信以实现高速传输的目的 ,因此要对 sp i进行初始化 ,此外也要对 i/o和 usb进行初始化 ,即开机启动时要对系统进行初始化。初始化工作完成后就进入 while循环 ,为了保证计算机已经完成对 ssi -usb转换器的插入检测和枚举 ,利用定时器 0设置 6 s开机启动延时 , 6 s延时只在开机启动时执行一次。延时时间到之后 ,不断查询上位机是否发送命令 ,若接收到命令再判断是什么命令 ,然后去执行相应命令对应的服务程序。
在通过上位机界面对传感器进行配置参数的过程中 ,使用int1来捕获传感器发送的时钟信号的上升沿 ,并在中断服务程序中从有效位开始传送数据。每次中断 ,传送一个数据有效位。其中的中断服务程序如下 :
void master_w rite ( )
{
if( iosenddata&0x80) set_data; / /发送数据的位
elseclear_data;
iosenddata < < = 1; / /数据左移一位 ,将下一位要传送的数据移至位
int1num + + ;
}
在上传传感器的测量结果的过程中 ,通过于进一步展开板材在线检测装置的研制。
通过 usb总线实现了电磁超声数据的采集 ,并与 labw in2dows cv i设计的电磁超声分析软件灵活通信 ,能够实时地处理和显示电磁超声接收回波信号 ,能够自动判别回波声程、回波位置等 ,实现了铝合金板材缺陷的自动检测。
经实验验证 ,基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置能够有效检测 10 mm厚度铝合金板材中长度 26 mm,深度 2 mm的裂纹缺陷 ,具有较高的检测灵敏度。
关键词：传感器 芯片 控制器
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ssi - usb转换器的硬件电路部分主要包括 3部分 : (1)起主控作用的单片机 ; (2)与磁致伸缩传感器相连的 ssi接口电路 ; (3)与上位机相连的 usb接口电路。
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}
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