0 引言
近年來(lái)隨著人們對(duì)電網(wǎng)安全的日益關(guān)注，便攜式繼電保護(hù)測(cè)試儀得到了很大程度的應(yīng)用。 其主要優(yōu)點(diǎn)在于攜帶方便、測(cè)試簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單、無(wú)法存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。 針對(duì)上述問(wèn)題，提出利用 USB 芯片作為橋梁， 將微處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò) U 盤(pán)讀入、寫(xiě)出，以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理的要求。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用微處理器 MSP430F248 和 USB 接口芯片CH375 實(shí)現(xiàn)，如圖 1 所示。 主控芯片 MSP430F248 同其它微控制器相比，采用低功耗設(shè)計(jì)，供電電源低；僅 3 種指令格式，全部為正交結(jié)構(gòu)，盡可能做到 1 字/指令；ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；硬件乘法器；多達(dá) 48K ROM 和 4K RAM。
MSP430F248 為 FLASH 型芯片， 采用 FLASH 存儲(chǔ)器作為程序代碼及信息的存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)多次擦除和寫(xiě)入，也可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)寫(xiě)入。其寫(xiě)入可以由 JTAG 接口來(lái)完成，也可以由芯片內(nèi)的駐留軟件實(shí)現(xiàn)，只需運(yùn)行的程序代碼存儲(chǔ)區(qū)與待編程的存儲(chǔ)區(qū)不在同一模塊中。 FLASH 存儲(chǔ)器的基本功能有：在程序執(zhí)行時(shí)提供代碼和數(shù)據(jù)；在軟件或 JTAG 接口控制下作一段、多段或整個(gè)模塊的擦除； 在軟件或 JTAG 接口控制下寫(xiě)入數(shù)據(jù)，在 X000h～XlFFh 的 512 字節(jié)區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)雙倍編程速度。FLASH 存儲(chǔ)器模塊是一個(gè)可獨(dú)立操作的物理存儲(chǔ)器單元。 全部模塊安排在同一個(gè)線(xiàn)性地址空間中，一個(gè)模塊又可以分為多個(gè)段。
當(dāng)對(duì) FLASH 存儲(chǔ)器段中的某一位編程時(shí)， 必須對(duì)整個(gè)段擦除， 因此，F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器必須分為較小的段，以方便地實(shí)現(xiàn)擦除和編程。 該 FLASH 存儲(chǔ)器模塊包含如下部分：
(1)控制邏輯：控制 FLASH 擦除和編程時(shí)的機(jī)器狀態(tài)和時(shí)序發(fā)生器；
(2) FLASH 保護(hù)邏輯：避免意外的 FLASH 擦除和編程操作；
(3)編程電壓發(fā)生器：提供 FLASH 擦除和編程所需全部電壓的集成電荷泵；
(4)3 個(gè) 16 位 控 制 寄 存 器 FCTL1、FCTL2、FCTL3控制 FLASH 模塊的全部操作；
(5)存儲(chǔ)器本身。
2 USB 接口電路
CH375 是一個(gè) USB 總線(xiàn)的通用接口芯片， 支持USB-HOST 主機(jī)方式和 USB-DEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。
在本地端，CH375 具有 8 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地連接到微處理器的系統(tǒng)總線(xiàn)上。 在 USB 主機(jī)方式下，CH375 還提供了串行通信方式，通過(guò)串行輸入、串行輸出和中斷輸出與微處理器相連接。 其特點(diǎn)主要有：全速 USB-HOST主機(jī)接口，兼容 USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。 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。 支持 USB 設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。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。 內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡(jiǎn)化常用的控制傳輸。 內(nèi)置固件處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專(zhuān)用通信協(xié)議， 支持 Bulk-Only 傳輸協(xié)議和 SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的 USB 存儲(chǔ)設(shè)備（包括 USB 硬盤(pán) ／USB 閃存盤(pán) ／U 盤(pán)）。 通過(guò) U 盤(pán)文件級(jí)子程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀寫(xiě) USB 存儲(chǔ)設(shè)備中的文件。
本系統(tǒng)中 CH375 采用串行連接方式， 芯片用于USB 主機(jī)方式。
串口信號(hào)線(xiàn)包括：串行數(shù)據(jù)輸入引腳 RXD、串行數(shù)據(jù)輸出引腳 TXD、中斷輸出引腳 INT。 通過(guò)串行接口，CH375 可以用*少的連線(xiàn)與微處理MSP430F248
進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。
CH375 芯 片 的 RXD 和 TXD 可 以 分 別 連 接 到MSP430F248 的串行數(shù)據(jù)輸出引腳和串行數(shù)據(jù)輸入引腳。 INT 輸出的中斷請(qǐng)**低電平有效，用于通知微處理器。 具體電路如圖 2 所示。
CH375 的串行數(shù)據(jù)格式是 1 個(gè)起始位、9 個(gè)數(shù)據(jù)位、1 個(gè)停止位， 其中前 8 個(gè)數(shù)據(jù)位是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，*后 1 個(gè)數(shù)據(jù)位是命令標(biāo)志位。 第 9 位為 0 時(shí)， 前 8
位的數(shù)據(jù)被寫(xiě)入 CH375 芯片中，第 9 位為 1 時(shí)，前 8
位被作為命令碼寫(xiě)入 CH375 芯片中。 CH375 的串行通信波特率默認(rèn)是 9600bps，MSP430F248 可以隨時(shí)通過(guò) SET_BAUDRATE 命令選擇合適的通信波特率。
3 軟件設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)中微處理器 MSP430F248 的程序空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間相對(duì)較大，在軟件設(shè)計(jì)上采用 CH375
的 U 盤(pán)文件級(jí)子程序庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
CH375 的 U 盤(pán)文件級(jí)子程序庫(kù)具有的特性：支持常用的 FAT12、FAT16 和 FAT32 文件系統(tǒng)， 磁盤(pán)容量可達(dá) 100GB 以上，支持多級(jí)子目錄，支持 8.3 格式的大寫(xiě)字母和中文文件名，可以支持小寫(xiě)字母或者長(zhǎng)文件名，支持文件打開(kāi)、新建、刪除、讀寫(xiě)以及搜索等。
CH375 的文件級(jí)子程序庫(kù)需要大約 600 字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 作為緩沖區(qū)。 以普通的微處理器為例，文件系統(tǒng)的全部子程序有 4KB 到 8KB 代碼，并且需要大 約 80 字 節(jié) 的 內(nèi) 部 RAM 和 512 字 節(jié) 的 外 部RAM 作為緩沖區(qū)。
軟件設(shè)計(jì)采用查詢(xún)方式， 進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸界面后，查詢(xún) U 盤(pán)狀態(tài)，如果 U 盤(pán)已準(zhǔn)備好，就進(jìn)入后續(xù)數(shù)據(jù)處理的流程。 圖 3 為繼電保護(hù)測(cè)試儀將采集數(shù)據(jù)存入U(xiǎn) 盤(pán)的程序流程圖。
部分程序代碼：
＃define DISK_BASE_BUF_ADDR0x2000 /* 外部 RAM 的磁盤(pán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始地址,從該單元開(kāi)始的緩沖區(qū)長(zhǎng)度為 SECTOR_SIZE */＃define DISK_BASE_BUF_LEN512 /* 默認(rèn)的磁盤(pán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小為 512 字節(jié)*/
＃define FILE_DATA_BUF_ADDR
0x2200 /* 外部 RAM 的文件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始地址,緩沖區(qū)長(zhǎng)度不小于一次讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 */
＃define FILE_DATA_BUF_LEN
0x0400 /* 外部 RAM 的文件數(shù)據(jù)緩沖區(qū),緩沖區(qū)長(zhǎng)度不小于一次讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 */
void xWriteCH375Cmd (unsigned char cmd ) /* 向CH375 的命令端口寫(xiě)入命令 */
{
UTCTL1|=TXWAKE; // 發(fā)送地址位,375 第 9 位為 1 時(shí)寫(xiě)命令
TXBUF1=cmd;
while((UTCTL1&0X01)==0);
usdelay(20);
}
void xWriteCH375Data (unsigned char c ) /* 向CH375 的數(shù)據(jù)端口寫(xiě)入數(shù)據(jù) */
{
TXBUF1 = c;
while((UTCTL1&0X01)==0);
usdelay(20);
}
4 試驗(yàn)測(cè)試及分析
不同環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸如表 1 所示。 在實(shí)驗(yàn)室多次測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)傳輸均無(wú)差錯(cuò)，而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，每連續(xù)測(cè)試 100 次，都有可能出現(xiàn) 1 次數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，但出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置點(diǎn)沒(méi)有規(guī)律。 綜合上述情況分析，可能是現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，后續(xù)改進(jìn)需要在硬件上加上屏蔽電磁干擾的措施。
圖 4 為誤碼率與信噪比關(guān)系圖， 從圖中可以看出，誤碼率與信噪比成反比關(guān)系，即誤碼率隨著信噪比的增大逐漸減小，當(dāng)信噪比為 35 dB 時(shí),系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率達(dá)到 0 。 所以在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)要求在信噪比大于 35 dB 的信道中傳輸, 可以保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性。
相比其他便攜式繼電保護(hù)測(cè)試儀而言，本系統(tǒng)利用 USB 接口芯片 CH375 為測(cè)試儀處理復(fù)雜數(shù)據(jù)提供了可能性，也為存儲(chǔ)擴(kuò)展提供了良好的應(yīng)用前景。
