1 前 言
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對“一戶一表”工程改造的推進，以及對自動化的要求，遠程自動抄表系統已成為水、電、氣自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。
采用集中抄表系統能夠杜絕人工抄表產生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯誤,提高工作效率，減輕勞動強度，減員增效。一般抄表系統采用RS485總線，然后通過485/232模塊與監控計算機連接，計算機通過串口輪巡采集電表數據。由于串口速度慢，這成為抄表系統傳輸速率提高的瓶頸,而使用485/usb模塊，能很好的解決這個問題，USB 1.1規范的最高傳輸速率為12 Mb/s。USB總線除了用于外圍設備和PC機之間的連接之外，在其它領域也有廣泛應用，包括測量和自動化應用。
2 硬件設計：
模塊的硬件包括: 微控制器、RS485 總線通信接口和USB 通信接口，如圖1：
RS485定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，采用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線,每次通信只能有一個主站，適合輪巡方式通信。RS485收發器采用TI公司的75LBC184,它使用單電源供電，電壓在+3-+5.5V范圍都能正常工作，能完成TTL與RS485之間的轉換。在電路中，使用了TLP521進行隔離，提高了系統的可靠性。
USB 通信接口采用PDIUSBD12，負責與上位機和微處理器進行信息交換。PDIUSBD12是Philips公司推出的一種價格便宜、功能完善的USB并行接口芯片，支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸，它遵從USB1.1協議，適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器來進行協議處理和數據交換，對MCU沒有特殊要求，接口方便靈活。微處理器采用P89C51RD 單片機。
3 系統軟件設計：
3.1 RS485軟件子程序設計：
RS485軟件編程非常簡單，它使用處理器的串口。數據到來時存放到串口緩沖區中，并產生串口中斷。
RS485協議只是物理層，上層協議需要用戶自己定義。 由于介紹RS485總線的文章很多，其他程序略。
3.2 USB軟件設計：
USB設備與主機通過四根線連接，電源、地，以及兩根數據線，該模塊使用計算機提供的5v電源。連接速度由D+ , D-連線上的電阻位置決定的, 如果D+ 線上有上拉電阻, USB 設備為全速設備,如果D-連線上有上拉電阻, 則USB 設備為低速設備。PDIUSBD12 的softconnect 技術在片內集成了1.5k的上拉電阻, 可以通過微處理器發送命令來控制D+上的上拉電阻是否與電源連接。
在usb設備中，我們使用描述符區別不同的設備、端口等。描述符主要包括設備描述符、配置描述符、接口描述符，在設備中預先設置這些參數，主機通過對這些描述符的讀取，獲得該設備的信息。
當一個設備剛插入計算機時，主機需要對該設備枚舉，讀取該設備的相關參數，首先使用默認的設備地址0進行通信。主機端先向設備地址0，端點0發送Get_Descriptor(獲取描述符)請求來查詢接入什么樣的設備，設備使用設備描述符回答，然后通過發送Set_Address(設定地址)請求來分配一個單獨的地址給設備。設備讀取這個請求，返回一個確認且保存新的地址。主機給新地址發送一個Get_Descriptor請求來讀取這個設備完整的描述符，包括端點最大包的大小，設備支持的配置號，以及該設備的其它信息，主機將這些信息用于往后的通信中。而后發出Get_configuration_Descriptor(獲取配置描述符)命令，用來獲取設備的節點和端點的配置信息。而后發出（Set_configuration）設定配置請求，以該配置號配置設備。設備就完全正確處于可操作狀態，完成了枚舉過程，便可以通過端點進行數據傳輸了。
以下是主設備讀取從設備描述符的過程
主機發起的setup包，使用默認的地址0，端點0。其中SYNC字段為同步序列數據域，固定為01H,緊接著為標識符數據域PID字段，用來表示數據封裝包的類型，可分為令牌、數據、握手或特殊四種封裝包類型。其中令牌封裝包細分為OUT,IN,SETUP,SOF四種封裝格式。隨后為地址數據域ADDR字段，用來尋址高達127個外圍設備，每個設備只有對應唯一的地址，ENDP字段為端點數據域，最多可尋址32個端點，它僅在IN,OUT,SETUP令牌封裝包中，最后為CRC校驗和。
主機發送數據，其中數據域中的數據80表示設備標準請求，06描述符命令（get_descriptor）00 01 代表請求設備的描述符，00 00為語言類型,40 00,指出期望從設備返回的數據個數，如果描述符的個數大于指定的字節個數，則按照指定個數返回，如果描述符小于指定的字節數，返回實際的字節個數。
該幀為設備收到數據后的確認幀
該幀為向設備發送數據請求。
12為描述符長度，01為設備類型，10 01 為usb版本號，bcd碼，這里是usb1.1,00 為設備類型碼，00為子類設備代碼，00為USB分配的設備協議代碼，10為端點0最大包的大小，d8,0d為廠商編號，01 c0為產品編號，04 01為設備出廠編號，01為廠商字符串索引，02 為產品字符串索引，00為序列號，01為設置編號。
在主程序中完成對系統、PDIUSBD12的初始化，以及完成對d12的枚舉，將數據的發送接收都放在中斷程序中。PDIUSBD12有3組端點，使用默認端點0和端點2。將端點2作為數據傳輸的通道，當PDIUSBD12從USB收到一個數據包時，就對CPU產生一個外部中斷請求，CPU立即相應中斷，在中斷服務子程序中，將數據包從PDIUSBD12內部緩沖區移到循環數據緩沖區中,隨后清零PDIUSBD12的內部緩沖區，對數據校驗，如果接收得數據正確，直接調用RS485數據發送子程序，將數據發送到RS485網絡。
圖3 外部中斷流程圖
3.3 計算機軟件設計：
計算機軟件主要包括，驅動的設計，動態連接庫的設計。驅動程序采用飛利浦提供的驅動，上位機程序使用api函數并封裝RS485總線的上層協議，提供給用戶使用的接口。本例采用VC編寫用戶程序和動態連接庫。從驅動中讀數據的程序如下，
void readdata(unsigned char *rec)
{ unsigned char outbuf[105];
HANDLE hFile, hDevice=0;
BOOL bResult;
ULONG nBytes = 25;
hFile = open_file("PIPE02");
if(hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{return;}
hDevice = open_dev();
bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,&nBytes,NULL);
if(bResult==FALSE)
{ DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0,&nBytes,NULL); }
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hDevice);
}
在使用這個函數的時候，只需要添加如下說明。
extern "C" DllImport void readdata ( unsigned char * );
4 結 論
由于采用了USB總線,克服了原來使用RS232接口速度慢的瓶頸，提高了遠程抄表系統的數據傳輸速率，該方案已經成功的得到應用，穩定可靠,有廣闊的應用前景。
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對“一戶一表”工程改造的推進，以及對自動化的要求，遠程自動抄表系統已成為水、電、氣自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。
采用集中抄表系統能夠杜絕人工抄表產生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯誤,提高工作效率，減輕勞動強度，減員增效。一般抄表系統采用RS485總線，然后通過485/232模塊與監控計算機連接，計算機通過串口輪巡采集電表數據。由于串口速度慢，這成為抄表系統傳輸速率提高的瓶頸,而使用485/usb模塊，能很好的解決這個問題，USB 1.1規范的最高傳輸速率為12 Mb/s。USB總線除了用于外圍設備和PC機之間的連接之外，在其它領域也有廣泛應用，包括測量和自動化應用。
2 硬件設計：
模塊的硬件包括: 微控制器、RS485 總線通信接口和USB 通信接口，如圖1：
RS485定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，采用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線,每次通信只能有一個主站，適合輪巡方式通信。RS485收發器采用TI公司的75LBC184,它使用單電源供電，電壓在+3-+5.5V范圍都能正常工作，能完成TTL與RS485之間的轉換。在電路中，使用了TLP521進行隔離，提高了系統的可靠性。
USB 通信接口采用PDIUSBD12，負責與上位機和微處理器進行信息交換。PDIUSBD12是Philips公司推出的一種價格便宜、功能完善的USB并行接口芯片，支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸，它遵從USB1.1協議，適合于不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器來進行協議處理和數據交換，對MCU沒有特殊要求，接口方便靈活。微處理器采用P89C51RD 單片機。
3 系統軟件設計：
3.1 RS485軟件子程序設計：
RS485軟件編程非常簡單，它使用處理器的串口。數據到來時存放到串口緩沖區中，并產生串口中斷。
RS485協議只是物理層，上層協議需要用戶自己定義。 由于介紹RS485總線的文章很多，其他程序略。
3.2 USB軟件設計：
USB設備與主機通過四根線連接，電源、地，以及兩根數據線，該模塊使用計算機提供的5v電源。連接速度由D+ , D-連線上的電阻位置決定的, 如果D+ 線上有上拉電阻, USB 設備為全速設備,如果D-連線上有上拉電阻, 則USB 設備為低速設備。PDIUSBD12 的softconnect 技術在片內集成了1.5k的上拉電阻, 可以通過微處理器發送命令來控制D+上的上拉電阻是否與電源連接。
在usb設備中，我們使用描述符區別不同的設備、端口等。描述符主要包括設備描述符、配置描述符、接口描述符，在設備中預先設置這些參數，主機通過對這些描述符的讀取，獲得該設備的信息。
當一個設備剛插入計算機時，主機需要對該設備枚舉，讀取該設備的相關參數，首先使用默認的設備地址0進行通信。主機端先向設備地址0，端點0發送Get_Descriptor(獲取描述符)請求來查詢接入什么樣的設備，設備使用設備描述符回答，然后通過發送Set_Address(設定地址)請求來分配一個單獨的地址給設備。設備讀取這個請求，返回一個確認且保存新的地址。主機給新地址發送一個Get_Descriptor請求來讀取這個設備完整的描述符，包括端點最大包的大小，設備支持的配置號，以及該設備的其它信息，主機將這些信息用于往后的通信中。而后發出Get_configuration_Descriptor(獲取配置描述符)命令，用來獲取設備的節點和端點的配置信息。而后發出（Set_configuration）設定配置請求，以該配置號配置設備。設備就完全正確處于可操作狀態，完成了枚舉過程，便可以通過端點進行數據傳輸了。
以下是主設備讀取從設備描述符的過程
主機發起的setup包，使用默認的地址0，端點0。其中SYNC字段為同步序列數據域，固定為01H,緊接著為標識符數據域PID字段，用來表示數據封裝包的類型，可分為令牌、數據、握手或特殊四種封裝包類型。其中令牌封裝包細分為OUT,IN,SETUP,SOF四種封裝格式。隨后為地址數據域ADDR字段，用來尋址高達127個外圍設備，每個設備只有對應唯一的地址，ENDP字段為端點數據域，最多可尋址32個端點，它僅在IN,OUT,SETUP令牌封裝包中，最后為CRC校驗和。
主機發送數據，其中數據域中的數據80表示設備標準請求，06描述符命令（get_descriptor）00 01 代表請求設備的描述符，00 00為語言類型,40 00,指出期望從設備返回的數據個數，如果描述符的個數大于指定的字節個數，則按照指定個數返回，如果描述符小于指定的字節數，返回實際的字節個數。
該幀為設備收到數據后的確認幀
該幀為向設備發送數據請求。
12為描述符長度，01為設備類型，10 01 為usb版本號，bcd碼，這里是usb1.1,00 為設備類型碼，00為子類設備代碼，00為USB分配的設備協議代碼，10為端點0最大包的大小，d8,0d為廠商編號，01 c0為產品編號，04 01為設備出廠編號，01為廠商字符串索引，02 為產品字符串索引，00為序列號，01為設置編號。
在主程序中完成對系統、PDIUSBD12的初始化，以及完成對d12的枚舉，將數據的發送接收都放在中斷程序中。PDIUSBD12有3組端點，使用默認端點0和端點2。將端點2作為數據傳輸的通道，當PDIUSBD12從USB收到一個數據包時，就對CPU產生一個外部中斷請求，CPU立即相應中斷，在中斷服務子程序中，將數據包從PDIUSBD12內部緩沖區移到循環數據緩沖區中,隨后清零PDIUSBD12的內部緩沖區，對數據校驗，如果接收得數據正確，直接調用RS485數據發送子程序，將數據發送到RS485網絡。
圖3 外部中斷流程圖
3.3 計算機軟件設計：
計算機軟件主要包括，驅動的設計，動態連接庫的設計。驅動程序采用飛利浦提供的驅動，上位機程序使用api函數并封裝RS485總線的上層協議，提供給用戶使用的接口。本例采用VC編寫用戶程序和動態連接庫。從驅動中讀數據的程序如下，
void readdata(unsigned char *rec)
{ unsigned char outbuf[105];
HANDLE hFile, hDevice=0;
BOOL bResult;
ULONG nBytes = 25;
hFile = open_file("PIPE02");
if(hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{return;}
hDevice = open_dev();
bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,&nBytes,NULL);
if(bResult==FALSE)
{ DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0,&nBytes,NULL); }
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hDevice);
}
在使用這個函數的時候，只需要添加如下說明。
extern "C" DllImport void readdata ( unsigned char * );
4 結 論
由于采用了USB總線,克服了原來使用RS232接口速度慢的瓶頸，提高了遠程抄表系統的數據傳輸速率，該方案已經成功的得到應用，穩定可靠,有廣闊的應用前景。
