基于CH375的塔机安全监控系统数据转储技术.doc

1、基于 CH375 的塔机安全监控系统数据转储技术李东博，殷晨波，缪彬彬 （南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 210009）摘要：在塔机安全监控系统中，所采集数据的转储与分析是重要的环节之一。介绍了一种以 USB 接口芯片CH375 为核心, U 盘为存储介质的数据转存技术, 给出了该系统硬软件的具体实现。现场应用表明，该方案具有成本低、方法简单、便于操作、可靠性高等特点，实现对 128M 片上存储数据进行一次性转储。关键词：塔机，数据转储，CH375，USB，U 盘Data transmission technology based on CH375 for Tower Crane s

2、afety monitoring and control systemLI Dong-bo，YIN Chen-bo，MIAO Bin-bin(School of Mechanical and Power Engineer of NJUT,Nanjing210009,China)Abstract:In the Tower Crane safety monitoring and control system,data transmission and analysis is a important part.Introduce a data transmission technology with

3、 the flash disk as the storage media,which USB interface chip CH375 is core.The system of software and hardware is presented in detail and prospect is made.The fault data is stored that the scheme features low costs, simple method, operated easily,good reliability and this technology has been applie

4、d to the locomotive fault recorder successfully.Keywords: Tower Crane,data transmission, CH375，Micro Controller Unit，USB flash disk在塔机安全检测中, 为了更好地管理和分析数据信息, 常常需要把采集到的数据上传到计算机, 因此需要两者之间进行通讯。由于塔机安全监控系统是安装于塔机上 传统的方式是基于一犯接口的串行通信, 这种方式依赖于计算机环境, 给数据的传输带来很大的不便。基于的接口盘读写方案, 把盘作为中间数据的传输介质, 克服了对计算机的依赖, 可以方便快捷的

5、传输数据。盘在数据采集系统中的最大优点是它具有良好的通用性、方便、廉价同时, 它的抗震性和稳定性也使得在特殊环境中的数据存储更加可靠。1 塔机安全监控系统总体结构 塔机安全监控系统的整体结构如图 1 所示。系统是要实时采集起吊重量、力矩、回转角、吊壁位移、限位等运行数据，在此基础上实时判别是否超限，作出报警或停机等处理。采集到的数据一方面通过液晶屏在驾驶仓操作台上实时显示，另一方面通过无线通信模块传送到监控中心。它主要由 CAN 总线、人机接口节点、无线收发模块、起重量检测节点、幅度检测节点、高度检测节点、角度检测节点组成，系统以STC89C516 为核心。起重量检测模块人机接口通讯模块液晶显

6、示器起重量检测节点人机接口节点拉力传感器幅度检测模块幅度检测节点传感元件高度检测模块高度检测节点传感元件角度检测模块角度检测节点传感元件键盘外部存储器G P S 定位模块G P R S 无线收发模块无线收发模块C A N 总线远程监控中心图 1 监控系统结构框图2 CH375 芯片简介CH375 是一种 USB 总线的通用接口芯片 ,可以方便地挂接到单片机的控制总线上。同时,CH375 的 USB 主机方式支持常用的 USB 全速设备,外部单片机可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通讯。而且,单片机可以直接调用子程序库读写 U 盘中的文件数据,硬件上只需在原单片机系统

7、中增加一个 CH375 芯片,综合成本较低。CH375 支持全速的 USB HOST 主机接口,兼容 USB V2.0 ,外围元器件只需要晶体和电容;支持动态切换主机与设备方式;支持常用的 12 Mb/s 全速 USB 设备;支持 USB 设备的控制传输、批量传输、中断传输;可自动测 USB 设备的连接与断开;提供设备连接和断开的事通知。其并行接口包含 8 位数据总线,4 线控制:读选通写选通、片选输入、中断输出。支持 5 V 电源电压和 3.3 电源电压,CH375 芯片还支持低功耗模式。芯片内置电源上电复位电路,一般情况下,不需要外部提供复位其正常工作时需要外部为其提供 12 MHz 的时

8、钟信号。CH375 以 C 语言子程序库提供了 USB 存储设备的文件级接口, 这些应用层接口 API 包含了常用的文件级操作, 可以移植并嵌入到各种常用的单片机程序中。CH375 的 U 盘文件级子程序库具有以下特性: 支持常用的 FAT12、FAT16 和 FAT32 文件系统; 磁盘容量可达 100GB 以上; 支持多级子目录; 支持 8.3 格式的大写字母文件名; 支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。CH375 的文件级接口 API 子程序需要大约 600 字节的随机存储器 RAM 作为缓冲区。所有 API 在调用后都有操作状态返回, 但不一定有应答数据。CH375 引脚功能为：

9、第 1 管脚为 INT#端,在复位完成后为中断请求输出,低电平有效。第 2 管脚为 RSTI,外部复位输入,高电平有效,内置下拉电阻。第 3,4 管脚为 WR#,RD#。第 5 管脚为 TDX 端,仅用于 USB 主机方式,设备方式只支持并口,在复位期间为输入引脚,内置上拉电阻,如果在复位期间输入低电平那么使能并口,否则使能串口,复位完成后为串行数据输出。第 6 管脚为 RXD,为串行数据输入端。第 7 管脚 NC 为空脚,必须悬空处理。第 8 管脚 A0 为地址线输入,区分命令口与数据口,当 A0=1 时可以写命令,当 A0=0 时可以读写数据。第 10,11 管脚为 UD+、UD-,为 U

10、SB 总线的 D+和 D-数据线端。第 15第 22 端为 8 位双向数据总线。第 24 管脚为 ACT#端,在内置固件的 USB 设备方式下 USB 设备配置完成状态输出,低电平有效。3 硬件设计系统连接 U 盘存储模块，在主板上预留了连接 U 盘的排线接口。外部 U 盘存储数据的存储内容为塔机每次工作的年份、日期、开始时间、结束时间、开始高度、结束高度、开始角度、最大载重、最大幅度、最大力矩和警告。当发生安全事故或需要评估塔机的使用寿命时，可导出数据进行分析。U 盘存储模块使用 CH375 为主控芯片，CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 USB-HOST主机方式和 USB

11、-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。在 USB 主机方式下，CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片/DSP/MCU/MPU 等相连接。CH375 的 USB 主机方式支持常用的 12Mb/s 全速 USB 设备，外部单片机可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通讯。 CH375 还内置了处理 Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常

12、用的 USB 存储设备（包括 USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘） 。其并行接口包含 8 位数据总线，4 线控制：读选通写选通、片选输入、中断输出。支持 5V 电源电压和 3.3电源电压，CH375 芯片还支持低功耗模式。芯片内置电源上电复位电路，一般情况下，不需要外部提供复位其正常工作时需要外部为其提供 12MHz 的时钟信号。U 盘存储模块的电路图如图 2 所示。INT#1 RSTI2WR#3 RD#4TXD5 RXD6NC7 A08V39 UD+10UD-11 GND12XI13 XO14 D0 15D1 16D217D3 18D4 19D520D6 21D7 22GND23ACT#

13、24RST 25RST#26CS# 27VCC 28U1CH3751 2 3 4USBJ2VCCR12KVCCINT_UC30.47uFVCC WRRDA15C40.01uF12 CR1 12MHz12C115pF12C215pFAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7R2 1KD1LEDCS_UVCC1122C5100uF1122C6100uFC70.1uF图 2 U 盘存储模块的电路图CH375 的 TXD 引脚通过 1k 左右的下拉电阻接地或者直接接地，使 CH375 工作于并口方式。电容 C4 用于 CH375 内部电源节点退耦， C4 是容量为 0.01F 的独石或高频瓷片电

14、容。电容 C5 和 C7 用于外部电源退耦，C7 是容量为 0.1 F 的独石或高频瓷片电容。晶体 X1、电容 C1 和 C2 组成 CH375 的时钟振荡电路。USB-HOST 主机方式要求时钟频率比较准确，X1 的频率为 12MHz0.4，C1 和 C2 是容量约为 15pF 的独石或高频瓷片电容。如果电源上电过程较慢并且电源断电后放电时间较长，将导致 CH375 不能可靠复位。所以在 RSTI引脚与 VCC 之间跨接一个容量为 0.47F 的电容 C3，并且可以减少干扰。在设计印刷线路板 PCB 时，需要注意：退耦电容 C5 和 C7 尽量靠近 CH375 的相连引脚；使 UD+和 UD

15、-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短 XI 和XO 引脚相关信号线的长度，减少高频时钟对外界的干扰，并应该在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。4 软件设计CH375 对文件的读写模式分为扇区模式和字节模式。本系统选用速度较快的扇区模式，每次读取 4个扇区数据，循环读写至文件结束 3。工作流程如图 3 所示。开始初始化结束查询接入 ？YN复位设备枚举 U S B 设备写入成功 ？YN新建文件并写入计算长度并关闭文件L E D 提示完成U 盘空间不足 ？YNL E D 提示空间满 L E D 提示出错图 3U 盘程序CH375 芯片占用两个地址位，单片机

16、 A0 引脚为选择命令数据端口，并通过 8 位并口对 CH375 芯片进行读写，所有操作命令都是由一个命令码、若干个输入数据和若干个输出数据组成，部分命令不需要输入数据，部分命令没有输出数据 4。单片机对 CH375 的操作步骤如下：(1)在 A0=1 时向命令端口写入命令代码；(2)如果该命令具有输入数据，则在 A0=0 时依次写入输入数据，每次一个字节；(3)如果该命令具有输出数据，则在 A0=0 时依次读取输出数据，每次一个字节；(4)命令完成，可以暂停或者转到(1)继续执行下一个命令。CH375 芯片专门用于处理 USB 通信，在接收到数据后或者发送完数据后，CH375 以中断方式通知

17、单片机进行处理。CH375 内部中断逻辑图如图4 所示。或U S B 总 线 复 位端 点 0 成 功 S E T U P端 点 0 成 功 O U T端 点 0 成 功 I N端 点 1 成 功 O U T端 点 1 成 功 I N端 点 2 成 功 O U T端 点 2 成 功 I N退 出 低 功 耗 状 态设 备 检 测 U S B 挂 起检 测 到 U S B 挂 起与外 部 固 件 模 式与或R S触发器命令 G E T _ S T A T U S非中 断辅 助 下 传中 断 上 传批 量 下 传批 量 上 传唤 醒 事 件挂 起 事 件图 4 CH375 内部中断逻辑图单片机通过

18、 CH375 芯片接收数据的处理步骤如下：(1)当 CH375 接收到 USB 主机发来的数据时，首先锁定当前 USB 缓冲区，防止被后续数据覆盖，然后将 INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断。(2)单片机进入中断服务程序时，首先执行 GET_STATUS 命令获取中断状态。(3)CH375 在 GET_STATUS 命令完成后，将 INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求。(4)由于通过上述 GET_STATUS 命令获取的中断状态是“下传成功 ”，所以单片机执行RD_USB_DATA 命令从 CH375 读取接收到的数据。(5)CH375 在 RD_USB_DATA 命令完成后释放当前

19、缓冲区，从而可以继续 USB 通信。(6)单片机退出中断服务程序。单片机通过 CH375 芯片发送数据的处理步骤如下：(1)单片机执行 WR_USB_DATA 命令向 CH375 写入要发送的数据。(2)CH375 被动地等待 USB 主机在需要时取走数据。(3)USB 主机取走数据后，CH375 首先锁定当前 USB 缓冲区，防止重复发送数据，然后将 INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断。(4)单片机进入中断服务程序时，首先执行 GET_STATUS 命令获取中断状态。(5)CH375 在 GET_STATUS 命令完成后，将 INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求。(6)由于通过上述

20、 GET_STATUS 命令获取的中断状态是“上传成功 ”，所以单片机执行WR_USB_DATA 命令向 CH375 写入另一组要发送的数据。如果没有后续数据需要发送，单片机就不必执行 WR_USB_DATA 命令。(7)单片机执行 UNLOCK_USB 命令。(8)CH375 在 UNLOCK_USB 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续 USB 通信。(9)单片机退出中断服务程序。(10)如果单片机已经写入了另一组要发送的数据，则转到(2)，否则结束。5结语这里将 CH375 芯片的 U 盘成功的应用到了塔机安全监控系统数据转存中,取得了令人满意的运行效果。数据转储稳定可靠，能够完成所有

21、存储数据文件一次性拷贝到 U 盘中去,转储后的数据能够在计算机上打开并顺利读出。结果表明,在实现 USB 数据移动存储接口电路设计中采用 CH375 芯片具有软硬件接口设计简单,性价比高,操作方便等优点，简化现场数据处理难度，提高系统便携性，并可方便在类似系统中移植应用。参考文献：1 黄平平,吉荣廷 ,沈大鹏.基于CH375 实现单片机读写U盘J. 现代电子技术，2006，(18).2 张银海.基于CH375的USB移动存储接口设计J.现代电子技术，2009,(8).3 USB 总线通用接口芯片 CH375U 盘文件级子程序库说明南京沁恒电子有限公司，20044王殊，程卓基于 CH375 的嵌入式 USB 文件加解密系统的设计J 电子技术应用，2007，085廖济林.USB 2.0应用系统开发实例精讲M.北京:电子工业出版社,2006.作者简介：李东博（1986） ，男，江苏徐州，在读硕士，主要研究大型机械（塔机）监控系统。E-mail:.联系作者：李东博，地址：江苏省南京市中山北路200号41号信箱。邮编：210009.联系电话：15250985004。E-mail: