1 引言

隨著測(cè)井技術(shù)的飛速發(fā)展，各種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理在現(xiàn)代測(cè)井系統(tǒng)中已必不可少。傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機(jī)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(kuò)展槽相當(dāng)有限，且插拔不方便，不適合便攜式系統(tǒng)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(diǎn)，要求尋找一種新的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而通用串行總線USB的出現(xiàn)很好地解決了這些問(wèn)題，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、高速率的數(shù)據(jù)通信。

2 USB總線簡(jiǎn)介

USB的優(yōu)點(diǎn)：

①速度快。USB接口的最高傳輸率可達(dá)12 Mb／s；提供低速方式，速率為1.5 Mb／s。扣除用于總線狀態(tài)控制和錯(cuò)誤檢測(cè)等數(shù)據(jù)傳輸，最大理論速度也能達(dá)到1．2 Mb／s和9．6 Mb／s。

②設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開(kāi)機(jī)箱，加減已安裝過(guò)的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過(guò)去的跳線和撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置。

③易于擴(kuò)展。通過(guò)使用Hub擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)的USB電纜長(zhǎng)度為3m(低速為5m)，通過(guò)Hub或者中繼器可使外設(shè)距離達(dá)到30m?？梢允褂枚喾N連接方式進(jìn)行擴(kuò)展。

④采用總線供電。USB總線可為連接在其上的設(shè)備提供5V電壓／lOOmA電流的供電。USB設(shè)備也可采用自供電方式，或者兩者結(jié)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(yīng)不同設(shè)備的需要。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

由測(cè)井儀器送至地面的信號(hào)有三類：模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)以及編碼信號(hào)，所以地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先對(duì)這三種不同的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后送至各自的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集再通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

由井下傳送至地面的模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)、編碼信號(hào)分別經(jīng)過(guò)相應(yīng)接口面板的凋理后，進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器(MAXl97)、脈沖計(jì)數(shù)器(82C54)、解調(diào)器，在CPU的控制下，實(shí)現(xiàn)控制算法，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、解碼，并將采集到的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的RAM中。另一方面，CPU還要完成USB協(xié)議處理、響應(yīng)USB接口芯片的中斷處理、完成數(shù)據(jù)交換，同時(shí)還有一些附加功能(如驅(qū)動(dòng)數(shù)控面板的LCD顯示等)，由于單片機(jī)自身資源的有限，僅僅使用一片單片機(jī)難以勝任，為此我們擴(kuò)展了一片單片機(jī)(兩片單片機(jī)均為AT89S52)，采用多單片機(jī)分配任務(wù)、協(xié)同工作，讓一片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)采集控制，另外一片實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

使用多單片機(jī)固然能按要求實(shí)現(xiàn)任務(wù)，但兩片單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題也隨之而來(lái)。傳統(tǒng)的多單片機(jī)之間的通信是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但在設(shè)計(jì)中，由于采集單片機(jī)的數(shù)據(jù)量非常大，若使用串口進(jìn)行通信，由于單片機(jī)的串行寄存器SBUF只能保留一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，必然造成采集數(shù)據(jù)的嚴(yán)重丟失或錯(cuò)誤。針對(duì)這樣問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中采用了采集單片機(jī)與通信單片機(jī)之間通過(guò)雙端口RAM(ID’F7132)共享數(shù)據(jù)的方案，它一方面可以存儲(chǔ)采集單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)兩單片機(jī)之間的高速、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

USB接口芯片采用Philips公司的PDIUS—BDl2(簡(jiǎn)稱D12)，可以實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)總線配置方式，單片機(jī)的INT—N應(yīng)配置為電平觸發(fā)中斷。D12在ALE下降沿的時(shí)候?qū)纹瑱C(jī)的輸出地址進(jìn)行鎖存。這種方式下，單片機(jī)也是使用指令MOVX對(duì)D12進(jìn)行操作，倘若輸出的地址為奇數(shù)表示對(duì)D12發(fā)送指令，輸出的地址為偶數(shù)時(shí)，則表示對(duì)D12進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。D12的地址由片選信號(hào)(P2的任一口線)決定。USB設(shè)備采用自供電方式，將EOT引腳需要通過(guò)串聯(lián)電阻連接到Vbus上，使用EOT來(lái)檢測(cè)USB總線是否連接上，只有連接上USB總線，單片機(jī)發(fā)送的命令才有效。