正離子靜電加速器在運轉過程中會產生能量較高的γpX和快中子等多種放射性輻射，對周圍的環境造成污染，對生命造成危害。由于其體積龐大，輻射范圍廣，需設計一個多探測端的多通道同步核輻射監測系統，針對加速器周圍環境進行輻射防護監測。每個探測端屬于一個探測通道，它們相互獨立。各通道將采集到的數據傳輸給上位機（主控計算機）。上位機進行數據處理并顯示各個探測端的輻射強度及吸收劑量。

若采用串口（RS232）實現多通道傳輸，各通道每次向上位機傳輸的數據容量大（16K），而串口傳輸速度慢，花費的時間長。在通信過程中，相應通道進入中斷服務程序后，不能夠再采集新的信號，更加嚴重地影響了系統的探測效率。于是就采用CH375構成的USB接口進行數據傳輸。速率可提高到1Mbit/s以上。同時USB所具有的即插即用、通用性強、易擴展、可靠性好等優點也極大地改善了接口的使用性能。

1、CH375模塊簡介

USB模塊CH375是一個USB總線的通用設備接口芯片，用戶無需編寫驅動程序，內置有USB通訊中的底層協議，完全滿足USB1.1標準。具有8位數據總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、 寫（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），可以方便地掛接到單片機的數據總線上。當A0為低電平時選擇數據端口，單片機通過8位并口對CH375進行讀寫數據；為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令。

在本地端，單片機對CH375的操作是采用命令加數據的I/O操作方式，任何操作都是先發命令（其命令格式參考文獻3）給CH375，然后執行數據輸入輸出。CH375接收到上位機發送的數據或者發送完給上位機的數據后，以中斷方式通知單片機。

將CH375芯片的驅動程序、動態鏈接庫拷貝到上位機中，利用CH375動態鏈接庫DLL提供的API函數對其進行操作，對USB設備的通信就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。

2、具有多個USB接口的多通道數據采集系統

圖1是加速器的核輻射監測系統。是個具有多個USB接口的多通道數據采集系統。該系統可安裝連接多個探測端（最多128個）。監測不同的放射性輻射時，裝配相應的探測器。每個探測通道的工作原理及電子線路都相同，分別連接到USB擴展卡上。多道分析器采用高性能AVR單片機ATmega128作為控制器。ATmega128運用Harvard結構概念，具有預取指令功能，機器周期為1個時鐘周期，絕大多數指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時可達到16MIPS的性能。用其控制高速模數轉換電路，把探測器輸出的模擬量轉換成計算機可接收的數字量，進行存儲，等待上位機的讀取。

單一探測通道，用CH375構成的USB接口電路原理如圖2所示。各通道接收到上位機發出讀取數據命令后，由ATmega128控制將所有探測數據通過USB接口電路傳輸給上位機。

3、多個通道USB接口的軟件設計

各通道的USB模塊CH375在計算機應用層與其本地端單片機ATmega128之間提供了端對端的連接。統一采用數據加應答方式進行通信，所有的通信都由計算機應用層發起，然后以接收到單片機的應答結束。單一通道完整的通信過程包括：

① 計算機應用層按事先約定的格式將數據請求發送給CH375；

② CH375以中斷方式通知單片機。

③ 單片機進入中斷服務程序，獲取CH375的中斷狀態并分析；

④ 如果是上傳（上傳緩沖區的數據被計算機成功讀取），則釋放當前USB緩沖區，然后退出中斷程序；

⑤ 如果是下傳（下傳緩沖區成功接收到計算機發送的數據），則從數據下傳緩沖區讀取數據塊；

⑥ 分析接收到的數據塊，如果是數據請求上傳命令，準備應答數據（采集數據）；

⑦ 單片機將采集數據寫入數據上傳緩沖區中，然后退出中斷程序；

⑧ CH375將采集數據返回給計算機；

⑨ 計算機應用層接收到應答數據，傳輸結束；

該通訊方式具有數據自動同步、程序設計簡單、較好的交互性和可控性等優點。計算機定時以此方式順次訪問各通道，獲取各通道采集到的數據。

3.1 單片機端的程序設計

各通道單片機端程序設計相同。ATmega128中斷1（INT1）作為USB的中斷入口（參考圖2），采用數據加應答方式，其中斷1服務處理程序設計流程圖如圖3所示。

采用C語言編程，編寫單片機端ATmega128中斷1服務處理程序的基本框架如下所示：

void int1_isr （void） //USB中斷入口程序

{

CH375_WR_CMD_PORT（CMD_GET_STATUS）； //向CH375發送中斷狀態獲取命令

InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT（）；//獲取中斷狀態，并通知CH375取消中斷請求

// 分析中斷狀態，并做相應處理

if （ InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT） // 數據下傳

{

CH375_WR_CMD_PORT（ CMD_RD_USB_DATA ）；// 向CH375發送讀數據命令

RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT（ ）；//從CH375下傳緩沖區讀取數據塊

……… //分析接收到的數據塊

CH375_WR_CMD_PORT（CMD_WR_USB_DATA7）； // 向CH375發送寫數據命令

CH375_WR_DAT_PORT（ DATA）；// 將采集數據DATA寫入CH375數據上傳緩沖區

return；

}

If（InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN） // 數據上傳

{

CH375_WR_CMD_PORT（ CMD_UNLOCK_USB ）；// 釋放當前USB緩沖區

return；

}

}

3.2 計算機端的程序設計

采用Visual C++作為計算機端應用軟件的開發平臺，以實現兩通道USB數據傳輸為例，計算機端程序設計流程圖如圖4所示。USB設備1即指通道1；USB設備2即指通道2。

圖4 計算機端兩通道USB數據傳輸程序設計流程圖

利用MFC（微軟基礎類）定時器函數，計算機定時順序訪問兩通道，獲取采集數據。編寫計算機端定時中斷處理程序的基本框架如下所示：

OnTimer（UINT nIDEvent） //定時函數入口

{

if （CH375OpenDevice（0 ）= =INVALID_HANDLE_VALUE） // 打開USB設備1（通道1 USB模塊CH375），返回句柄，出錯無效

………

if （CH375OpenDevice（1 ）= =INVALID_HANDLE_VALUE） //打開USB設備2

………

if （ CH375WriteData（ 0， WriteBuf， length） ） //發送數據請求命令給USB設備1，成功發送后返回真。WriteBuf指向放置準備寫出數據的緩沖區。Length指向長度單元，輸入時為準備寫出的長度，返回后為實際寫出的長度。

………

if （ CH375ReadData（ 0， ReadBuf， length） ） //從USB設備1讀取采集數據，成功讀取后返回真。ReadBuf為指向用于保存讀取數據的緩沖區。Length指向長度單元，輸入時為準備讀取得長度，返回后為實際讀取得長度。

………

CH375CloseDevice（ 0 ）； //關閉USB設備1

if （ CH375WriteData（ 1， WriteBuf， length） ） //發送數據請求命令給USB設備2

………

if （ CH375ReadData（ 1， ReadBuf， length） ） //從USB設備2讀取采集數據

………

CH375CloseDevice（ 1 ）； //關閉USB設備2

}

4 、結束語

采用CH375進行USB數據傳輸速率高，達到1Mbit/s以上。而且無需編寫復雜的USB驅動程序，利用其動態鏈接庫即可實現多通道USB接口與PC機通信。研發簡單，易于實現，可以使數據傳輸系統非常方便的從RS232總線轉向USB總線，彌補其速度慢的缺點，進行系統升級。并且USB所具有的各種優越性能，也必將使這種接口電路在數據傳輸中得到更廣泛的應用。

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