0 引言
近年來隨著人們對電網(wǎng)安全的日益關注，便攜式繼電保護測試儀得到了很大程度的應用。 其主要優(yōu)點在于攜帶方便、測試簡單；缺點在于數(shù)據(jù)處理相對簡單、無法存儲更多的數(shù)據(jù)。 針對上述問題，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 U 盤讀入、寫出，以實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理的要求。
1 系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)采用微處理器 MSP430F248 和 USB 接口芯片CH375 實現(xiàn)，如圖 1 所示。 主控芯片 MSP430F248 同其它微控制器相比，采用低功耗設計，供電電源低；僅 3 種指令格式，全部為正交結構，盡可能做到 1 字/指令；ESD 保護，抗干擾力強；硬件乘法器；多達 48K ROM 和 4K RAM。
MSP430F248 為 FLASH 型芯片， 采用 FLASH 存儲器作為程序代碼及信息的存儲，可以實現(xiàn)多次擦除和寫入，也可以實現(xiàn)在線寫入。其寫入可以由 JTAG 接口來完成，也可以由芯片內(nèi)的駐留軟件實現(xiàn)，只需運行的程序代碼存儲區(qū)與待編程的存儲區(qū)不在同一模塊中。 FLASH 存儲器的基本功能有：在程序執(zhí)行時提供代碼和數(shù)據(jù)；在軟件或 JTAG 接口控制下作一段、多段或整個模塊的擦除； 在軟件或 JTAG 接口控制下寫入數(shù)據(jù)，在 X000h～XlFFh 的 512 字節(jié)區(qū)域內(nèi)可實現(xiàn)雙倍編程速度。FLASH 存儲器模塊是一個可獨立操作的物理存儲器單元。 全部模塊安排在同一個線性地址空間中，一個模塊又可以分為多個段。
當對 FLASH 存儲器段中的某一位編程時， 必須對整個段擦除， 因此，F(xiàn)LASH 存儲器必須分為較小的段，以方便地實現(xiàn)擦除和編程。 該 FLASH 存儲器模塊包含如下部分：
(1)控制邏輯：控制 FLASH 擦除和編程時的機器狀態(tài)和時序發(fā)生器；
(2) FLASH 保護邏輯：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 16 位 控 制 寄 存 器 FCTL1、FCTL2、FCTL3控制 FLASH 模塊的全部操作；
(5)存儲器本身。
2 USB 接口電路
CH375 是一個 USB 總線的通用接口芯片， 支持USB-HOST 主機方式和 USB-DEVICE/SLAVE 設備方式。
在本地端，CH375 具有 8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地連接到微處理器的系統(tǒng)總線上。 在 USB 主機方式下，CH375 還提供了串行通信方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與微處理器相連接。 其特點主要有：全速 USB-HOST主機接口，兼容 USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。 主機端點輸入和輸出緩沖區(qū)各 64 字節(jié)，支持常用的 12Mbps 全速 USB 設備。 支持 USB 設備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。自動檢測 USB 設備的連接和斷開，提供設備連接和斷開的事件通知。 內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。 內(nèi)置固件處理海量存儲設備的專用通信協(xié)議， 支持 Bulk-Only 傳輸協(xié)議和 SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的 USB 存儲設備（包括 USB 硬盤 ／USB 閃存盤 ／U 盤）。 通過 U 盤文件級子程序庫實現(xiàn)單片機讀寫 USB 存儲設備中的文件。
本系統(tǒng)中 CH375 采用串行連接方式， 芯片用于USB 主機方式。
串口信號線包括：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。 通過串行接口，CH375 可以用*少的連線與微處理MSP430F248
進行較遠距離的點對點連接。
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**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 個起始位、9 個數(shù)據(jù)位、1 個停止位， 其中前 8 個數(shù)據(jù)位是一個字節(jié)數(shù)據(jù)，*后 1 個數(shù)據(jù)位是命令標志位。 第 9 位為 0 時， 前 8
位的數(shù)據(jù)被寫入 CH375 芯片中，第 9 位為 1 時，前 8
位被作為命令碼寫入 CH375 芯片中。 CH375 的串行通信波特率默認是 9600bps，MSP430F248 可以隨時通過 SET_BAUDRATE 命令選擇合適的通信波特率。
3 軟件設計
由于本系統(tǒng)中微處理器 MSP430F248 的程序空間和數(shù)據(jù)存儲空間相對較大，在軟件設計上采用 CH375
的 U 盤文件級子程序庫來實現(xiàn)。
CH375 的 U 盤文件級子程序庫具有的特性：支持常用的 FAT12、FAT16 和 FAT32 文件系統(tǒng)， 磁盤容量可達 100GB 以上，支持多級子目錄，支持 8.3 格式的大寫字母和中文文件名，可以支持小寫字母或者長文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。
CH375 的文件級子程序庫需要大約 600 字節(jié)的隨機存儲器 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)。
軟件設計采用查詢方式， 進入數(shù)據(jù)傳輸界面后，查詢 U 盤狀態(tài)，如果 U 盤已準備好，就進入后續(xù)數(shù)據(jù)處理的流程。 圖 3 為繼電保護測試儀將采集數(shù)據(jù)存入U 盤的程序流程圖。
部分程序代碼：
＃define DISK_BASE_BUF_ADDR0x2000 /* 外部 RAM 的磁盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始地址,從該單元開始的緩沖區(qū)長度為 SECTOR_SIZE */＃define DISK_BASE_BUF_LEN512 /* 默認的磁盤數(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)長度不小于一次讀寫的數(shù)據(jù)長度 */
＃define FILE_DATA_BUF_LEN
0x0400 /* 外部 RAM 的文件數(shù)據(jù)緩沖區(qū),緩沖區(qū)長度不小于一次讀寫的數(shù)據(jù)長度 */
void xWriteCH375Cmd (unsigned char cmd ) /* 向CH375 的命令端口寫入命令 */
{
UTCTL1|=TXWAKE; // 發(fā)送地址位,375 第 9 位為 1 時寫命令
TXBUF1=cmd;
while((UTCTL1&0X01)==0);
usdelay(20);
}
void xWriteCH375Data (unsigned char c ) /* 向CH375 的數(shù)據(jù)端口寫入數(shù)據(jù) */
{
TXBUF1 = c;
while((UTCTL1&0X01)==0);
usdelay(20);
}
4 試驗測試及分析
不同環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸如表 1 所示。 在實驗室多次測試時數(shù)據(jù)傳輸均無差錯，而在現(xiàn)場測試時，每連續(xù)測試 100 次，都有可能出現(xiàn) 1 次數(shù)據(jù)傳輸錯誤，但出現(xiàn)錯誤的位置點沒有規(guī)律。 綜合上述情況分析，可能是現(xiàn)場的電磁干擾造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤，后續(xù)改進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系圖， 從圖中可以看出，誤碼率與信噪比成反比關系，即誤碼率隨著信噪比的增大逐漸減小，當信噪比為 35 dB 時,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率達到 0 。 所以在設計該系統(tǒng)時要求在信噪比大于 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測試儀而言，本系統(tǒng)利用 USB 接口芯片 CH375 為測試儀處理復雜數(shù)據(jù)提供了可能性，也為存儲擴展提供了良好的應用前景。
