應用于磁致伸縮傳感器的 SSI-USB轉換器
1 ss i協議規范及總體設計
1. 1 ss i協議規范
ssi通訊協議是一種串行通信協議 ,其中 ssi全稱為同步串行接口 ( synchronous serial interface) 。 ssi傳輸過程中 , 有24 /25 /26 3種編碼模式。 ssi 信號包括差分同步時鐘信號clock +、clock - ,差分數據信號 data +、data - , 電源vcc與地 gnd[ 1 ]。通過差分方式傳輸碼值提高了抗干擾的能力 ,接線簡單 ,增加了系統控制的可靠性。ssi通信協議的雙方 ,一方發送時鐘信號 ,另一方在這個時鐘脈沖信號的控制下從有效位 (msb )開始同步傳輸數據。其中 d0～dn為數據信號 , t為一個時鐘信號周期的持續時間 ; tm為單穩觸發時間 , tp為數據傳輸間隔 ,并且 tp≥tm; msb為位 , lsb為位 [ 2 ]。
1. 2 總體設計
ssi - usb轉換器的設計主要包含 2部分 : (1)向下配置參數部分 ,即通過上位機界面對傳感器的相關參數進行設定 ,設定好后通過 usb接口傳送給 ssi - usb轉換器 ,然后 ssi - usb轉換器再將接收到的配置參數信號轉化為 ssi信號傳送給磁致伸縮傳感器。 (2)上傳測量結果部分 ,即磁致伸縮傳感器將測量結果通過 ssi接口傳送給 ssi - usb轉換器 ,然后 ssi - usb轉換器再將其轉化為 usb信號傳送給上位機供分析計算。
2 硬件設計
ssi - usb轉換器的硬件電路部分主要包括 3部分 : (1)起主控作用的單片機 ; (2)與磁致伸縮傳感器相連的 ssi接口電路 ; (3)與上位機相連的 usb接口電路。
2. 1 cpu及 ss i接口部分電路
設計中 cpu 采用的是 avr 單片機 at2mega128, atmega128是 8位系列單片機中配置的一款單片機 ,應用及其廣泛 [ 3 ] 。在 ssi接口部分電路的設計中采用差分平衡型收發器芯片 max490[ 4 ]將時鐘信號 ssi_clk和數據信號 ssi_data分別轉化為符合 ssi通信協議規范的差分信號clk + , clk - , data + , data - 信號。為了保證數據的高速傳輸及傳輸的可靠性 ,設計中采用高速光耦 6n137將 ssi_clk和 ssi_data信號與單片機的 ssi_clk1和 ssi_data1信號進行隔離。并且 6n137對輸入信號具有整形的作用 ,輸入的方波信號經 6n137輸出后 ,輸入信號原本波形較緩的上升沿和下降沿得到改善 [ 5 ]。
磁致伸縮傳感器的測量結果需要傳遞到上位機供用戶分析計算 ,且要求滿足一定的更新頻率如 3 m s、2 m s、1 m s、015 m s等。采用普通 i/o口模擬 ssi通信的方式 ,由于受到系統時鐘周期的限制無法達到如此高的更新頻率 ,故在設計上采用 sp i的主從通信 (即 ssi - usb轉換器作為主機 ,磁致伸縮傳感器作為從機 )代替 ssi通信 ,將 sck腳和 m iso腳引出來分別定義為ssi_clk1和 ssi_data1。即 cpu作為主機發送時鐘信號 ,傳感器作為從機在時鐘脈沖的控制下向主機傳送數據信號。而配置參數的過程中因為對數據傳送速度沒有過高的要求 ,可以通過采用普通 i/o口模擬 ssi通信方式實現。同樣是 sck腳和 m iso腳 ,但是與上傳測量結果不同之處是此時 sck腳作為數據輸出腳 , m iso 腳作為時鐘輸入腳 ,同時將 m iso 腳接到int1腳 ,用于捕獲傳感器發送的時鐘信號。
2. 2 usb接口電路
設計中利用 pd iusbd12 芯片來實現 usb 接口 , pd ius2bd12是一款性價比很高的 usb器件 ,可與任何外部微控制器 /微處理器實現高速并行連接 (2m 字節 / s) [ 6 ]。usb設備接口電路的硬件設計主要以 pd iusbd12為中心 ,設計它與 usb物理接口及微控制器之間的連接 [ 7 ] 。
引腳 a0通過電阻和地連接 ,這樣微控制器可以向 pd ius2bd12寫數據或向 pd iusbd12讀取數據。pd iusbd12的 gl _n接 led,對其工作狀態進行監控 , led在 usb被連接時會發光 ,在進行數據傳輸時會閃爍。設計中 usb總線采用的是設備自供電 ,因此將 usb接口的 vbus腳懸空。r7、r8 為串聯終端電阻。pd iusbd12片內集成了 6～8 mhz時鐘乘法 pll,這樣就可以使用低成本的 6 mhz晶振 , e - m i也隨之降低。
3 軟件設計
在 ssi - usb轉換器的軟件設計部分 ,由于在上傳傳感器的測量結果的過程中要使用 sp i通信代替 ssi通信以實現高速傳輸的目的 ,因此要對 sp i進行初始化 ,此外也要對 i/o和 usb進行初始化 ,即開機啟動時要對系統進行初始化。初始化工作完成后就進入 while循環 ,為了保證計算機已經完成對 ssi -usb轉換器的插入檢測和枚舉 ,利用定時器 0設置 6 s開機啟動延時 , 6 s延時只在開機啟動時執行一次。延時時間到之后 ,不斷查詢上位機是否發送命令 ,若接收到命令再判斷是什么命令 ,然后去執行相應命令對應的服務程序。
在通過上位機界面對傳感器進行配置參數的過程中 ,使用int1來捕獲傳感器發送的時鐘信號的上升沿 ,并在中斷服務程序中從有效位開始傳送數據。每次中斷 ,傳送一個數據有效位。其中的中斷服務程序如下 :
void master_w rite ( )
{
if( iosenddata&0x80) set_data; / /發送數據的位
elseclear_data;
iosenddata < < = 1; / /數據左移一位 ,將下一位要傳送的數據移至位
int1num + + ;
}
在上傳傳感器的測量結果的過程中 ,通過于進一步展開板材在線檢測裝置的研制。
通過 usb總線實現了電磁超聲數據的采集 ,并與 labw in2dows cv i設計的電磁超聲分析軟件靈活通信 ,能夠實時地處理和顯示電磁超聲接收回波信號 ,能夠自動判別回波聲程、回波位置等 ,實現了鋁合金板材缺陷的自動檢測。
經實驗驗證 ,基于電磁超聲導波的鋁合金板材缺陷自動檢測裝置能夠有效檢測 10 mm厚度鋁合金板材中長度 26 mm,深度 2 mm的裂紋缺陷 ,具有較高的檢測靈敏度。
關鍵詞：傳感器 芯片 控制器
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ssi - usb轉換器的設計主要包含 2部分 : (1)向下配置參數部分 ,即通過上位機界面對傳感器的相關參數進行設定 ,設定好后通過 usb接口傳送給 ssi - usb轉換器 ,然后 ssi - usb轉換器再將接收到的配置參數信號轉化為 ssi信號傳送給磁致伸縮傳感器。 (2)上傳測量結果部分 ,即磁致伸縮傳感器將測量結果通過 ssi接口傳送給 ssi - usb轉換器 ,然后 ssi - usb轉換器再將其轉化為 usb信號傳送給上位機供分析計算。
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2. 1 cpu及 ss i接口部分電路
設計中 cpu 采用的是 avr 單片機 at2mega128, atmega128是 8位系列單片機中配置的一款單片機 ,應用及其廣泛 [ 3 ] 。在 ssi接口部分電路的設計中采用差分平衡型收發器芯片 max490[ 4 ]將時鐘信號 ssi_clk和數據信號 ssi_data分別轉化為符合 ssi通信協議規范的差分信號clk + , clk - , data + , data - 信號。為了保證數據的高速傳輸及傳輸的可靠性 ,設計中采用高速光耦 6n137將 ssi_clk和 ssi_data信號與單片機的 ssi_clk1和 ssi_data1信號進行隔離。并且 6n137對輸入信號具有整形的作用 ,輸入的方波信號經 6n137輸出后 ,輸入信號原本波形較緩的上升沿和下降沿得到改善 [ 5 ]。
磁致伸縮傳感器的測量結果需要傳遞到上位機供用戶分析計算 ,且要求滿足一定的更新頻率如 3 m s、2 m s、1 m s、015 m s等。采用普通 i/o口模擬 ssi通信的方式 ,由于受到系統時鐘周期的限制無法達到如此高的更新頻率 ,故在設計上采用 sp i的主從通信 (即 ssi - usb轉換器作為主機 ,磁致伸縮傳感器作為從機 )代替 ssi通信 ,將 sck腳和 m iso腳引出來分別定義為ssi_clk1和 ssi_data1。即 cpu作為主機發送時鐘信號 ,傳感器作為從機在時鐘脈沖的控制下向主機傳送數據信號。而配置參數的過程中因為對數據傳送速度沒有過高的要求 ,可以通過采用普通 i/o口模擬 ssi通信方式實現。同樣是 sck腳和 m iso腳 ,但是與上傳測量結果不同之處是此時 sck腳作為數據輸出腳 , m iso 腳作為時鐘輸入腳 ,同時將 m iso 腳接到int1腳 ,用于捕獲傳感器發送的時鐘信號。
2. 2 usb接口電路
設計中利用 pd iusbd12 芯片來實現 usb 接口 , pd ius2bd12是一款性價比很高的 usb器件 ,可與任何外部微控制器 /微處理器實現高速并行連接 (2m 字節 / s) [ 6 ]。usb設備接口電路的硬件設計主要以 pd iusbd12為中心 ,設計它與 usb物理接口及微控制器之間的連接 [ 7 ] 。
引腳 a0通過電阻和地連接 ,這樣微控制器可以向 pd ius2bd12寫數據或向 pd iusbd12讀取數據。pd iusbd12的 gl _n接 led,對其工作狀態進行監控 , led在 usb被連接時會發光 ,在進行數據傳輸時會閃爍。設計中 usb總線采用的是設備自供電 ,因此將 usb接口的 vbus腳懸空。r7、r8 為串聯終端電阻。pd iusbd12片內集成了 6～8 mhz時鐘乘法 pll,這樣就可以使用低成本的 6 mhz晶振 , e - m i也隨之降低。
3 軟件設計
在 ssi - usb轉換器的軟件設計部分 ,由于在上傳傳感器的測量結果的過程中要使用 sp i通信代替 ssi通信以實現高速傳輸的目的 ,因此要對 sp i進行初始化 ,此外也要對 i/o和 usb進行初始化 ,即開機啟動時要對系統進行初始化。初始化工作完成后就進入 while循環 ,為了保證計算機已經完成對 ssi -usb轉換器的插入檢測和枚舉 ,利用定時器 0設置 6 s開機啟動延時 , 6 s延時只在開機啟動時執行一次。延時時間到之后 ,不斷查詢上位機是否發送命令 ,若接收到命令再判斷是什么命令 ,然后去執行相應命令對應的服務程序。
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int1num + + ;
}
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經實驗驗證 ,基于電磁超聲導波的鋁合金板材缺陷自動檢測裝置能夠有效檢測 10 mm厚度鋁合金板材中長度 26 mm,深度 2 mm的裂紋缺陷 ,具有較高的檢測靈敏度。
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