正離子靜電加速器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生能量較高的γpX和快中子等多種放射性輻射，對周圍的環(huán)境造成污染，對生命造成危害。由于其體積龐大，輻射范圍廣，需設(shè)計(jì)一個(gè)多探測端的多通道同步核輻射監(jiān)測系統(tǒng)，針對加速器周圍環(huán)境進(jìn)行輻射防護(hù)監(jiān)測。每個(gè)探測端屬于一個(gè)探測通道，它們相互獨(dú)立。各通道將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)（主控計(jì)算機(jī)）。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示各個(gè)探測端的輻射強(qiáng)度及吸收劑量。

若采用串口（RS232）實(shí)現(xiàn)多通道傳輸，各通道每次向上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量大（16K），而串口傳輸速度慢，花費(fèi)的時(shí)間長。在通信過程中，相應(yīng)通道進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，不能夠再采集新的信號，更加嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的探測效率。于是就采用CH375構(gòu)成的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。速率可提高到1Mbit/s以上。同時(shí)USB所具有的即插即用、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)也極大地改善了接口的使用性能。

1、CH375模塊簡介

USB模塊CH375是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，用戶無需編寫驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿足USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。具有8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、 寫（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），可以方便地掛接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，單片機(jī)通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)；為高電平時(shí)選擇命令端口，可以向其寫入命令。

在本地端，單片機(jī)對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令（其命令格式參考文獻(xiàn)3）給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。

將CH375芯片的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到上位機(jī)中，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其進(jìn)行操作，對USB設(shè)備的通信就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。

2、具有多個(gè)USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖1是加速器的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。是個(gè)具有多個(gè)USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可安裝連接多個(gè)探測端（最多128個(gè)）。監(jiān)測不同的放射性輻射時(shí)，裝配相應(yīng)的探測器。每個(gè)探測通道的工作原理及電子線路都相同，分別連接到USB擴(kuò)展卡上。多道分析器采用高性能AVR單片機(jī)ATmega128作為控制器。ATmega128運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，機(jī)器周期為1個(gè)時(shí)鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時(shí)可達(dá)到16MIPS的性能。用其控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把探測器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接收的數(shù)字量，進(jìn)行存儲(chǔ)，等待上位機(jī)的讀取。

單一探測通道，用CH375構(gòu)成的USB接口電路原理如圖2所示。各通道接收到上位機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令后，由ATmega128控制將所有探測數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機(jī)。

3、多個(gè)通道USB接口的軟件設(shè)計(jì)

各通道的USB模塊CH375在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與其本地端單片機(jī)ATmega128之間提供了端對端的連接。統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進(jìn)行通信，所有的通信都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束。單一通道完整的通信過程包括：

① 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH375；

② CH375以中斷方式通知單片機(jī)。

③ 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取CH375的中斷狀態(tài)并分析；

④ 如果是上傳（上傳緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)成功讀?。?，則釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；

⑤ 如果是下傳（下傳緩沖區(qū)成功接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)），則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊；

⑥ 分析接收到的數(shù)據(jù)塊，如果是數(shù)據(jù)請求上傳命令，準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)）；

⑦ 單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)中，然后退出中斷程序；

⑧ CH375將采集數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)；

⑨ 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束；

該通訊方式具有數(shù)據(jù)自動(dòng)同步、程序設(shè)計(jì)簡單、較好的交互性和可控性等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)定時(shí)以此方式順次訪問各通道，獲取各通道采集到的數(shù)據(jù)。

3.1 單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)

各通道單片機(jī)端程序設(shè)計(jì)相同。ATmega128中斷1（INT1）作為USB的中斷入口（參考圖2），采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式，其中斷1服務(wù)處理程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

采用C語言編程，編寫單片機(jī)端ATmega128中斷1服務(wù)處理程序的基本框架如下所示：

void int1_isr （void） //USB中斷入口程序

{

CH375_WR_CMD_PORT（CMD_GET_STATUS）； //向CH375發(fā)送中斷狀態(tài)獲取命令

InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT（）；//獲取中斷狀態(tài)，并通知CH375取消中斷請求

// 分析中斷狀態(tài)，并做相應(yīng)處理

if （ InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT） // 數(shù)據(jù)下傳

{

CH375_WR_CMD_PORT（ CMD_RD_USB_DATA ）；// 向CH375發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令

RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT（ ）；//從CH375下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊

……… //分析接收到的數(shù)據(jù)塊

CH375_WR_CMD_PORT（CMD_WR_USB_DATA7）； // 向CH375發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令

CH375_WR_DAT_PORT（ DATA）；// 將采集數(shù)據(jù)DATA寫入CH375數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)

return；

}

If（InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN） // 數(shù)據(jù)上傳

{

CH375_WR_CMD_PORT（ CMD_UNLOCK_USB ）；// 釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)

return；

}

}

3.2 計(jì)算機(jī)端的程序設(shè)計(jì)

采用Visual C++作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸為例，計(jì)算機(jī)端程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。USB設(shè)備1即指通道1；USB設(shè)備2即指通道2。

圖4 計(jì)算機(jī)端兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)流程圖

利用MFC（微軟基礎(chǔ)類）定時(shí)器函數(shù)，計(jì)算機(jī)定時(shí)順序訪問兩通道，獲取采集數(shù)據(jù)。編寫計(jì)算機(jī)端定時(shí)中斷處理程序的基本框架如下所示：

OnTimer（UINT nIDEvent） //定時(shí)函數(shù)入口

{

if （CH375OpenDevice（0 ）= =INVALID_HANDLE_VALUE） // 打開USB設(shè)備1（通道1 USB模塊CH375），返回句柄，出錯(cuò)無效

………

if （CH375OpenDevice（1 ）= =INVALID_HANDLE_VALUE） //打開USB設(shè)備2

………

if （ CH375WriteData（ 0， WriteBuf， length） ） //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備1，成功發(fā)送后返回真。WriteBuf指向放置準(zhǔn)備寫出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元，輸入時(shí)為準(zhǔn)備寫出的長度，返回后為實(shí)際寫出的長度。

………

if （ CH375ReadData（ 0， ReadBuf， length） ） //從USB設(shè)備1讀取采集數(shù)據(jù)，成功讀取后返回真。ReadBuf為指向用于保存讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元，輸入時(shí)為準(zhǔn)備讀取得長度，返回后為實(shí)際讀取得長度。

………

CH375CloseDevice（ 0 ）； //關(guān)閉USB設(shè)備1

if （ CH375WriteData（ 1， WriteBuf， length） ） //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備2

………

if （ CH375ReadData（ 1， ReadBuf， length） ） //從USB設(shè)備2讀取采集數(shù)據(jù)

………

CH375CloseDevice（ 1 ）； //關(guān)閉USB設(shè)備2

}

4 、結(jié)束語

采用CH375進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸速率高，達(dá)到1Mbit/s以上。而且無需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫即可實(shí)現(xiàn)多通道USB接口與PC機(jī)通信。研發(fā)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常方便的從RS232總線轉(zhuǎn)向USB總線，彌補(bǔ)其速度慢的缺點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)升級。并且USB所具有的各種優(yōu)越性能，也必將使這種接口電路在數(shù)據(jù)傳輸中得到更廣泛的應(yīng)用。

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