CN100504723C

CN100504723C - 电源的usb数据采集装置

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Publication number: CN100504723C
Application number: CNB2006100590061A
Authority: CN
Inventors: 李谦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: CN1838029A

Abstract

一种电脑电源的USB数据采集装置，它包括：交流电量传感器、信号调理电路，多路模拟开关、A/D转换器、微控制器和USB接口，所述部件在电源单元内，与电源组合成为一个整体，有一组电源连接线输出和一组USB总线输出，既提供电脑工作所需的电源，又能够将传感器测量的交流电参数通过USB接口传输到主机，以便主机监控电源输入端的交流电压、交流电流和交流电频率。

Description

电源的USB数据采集装置

技术领域

一种电源USB数据采集装置，属于电脑外设接口领域。

背景技术

现在，电脑的USB是一种标准的连接接口，在把外设与电脑连接时，不必重新设置系统而直接连接，电脑会自动识别并且配置适当的驱动程序，此外还能通过USB接口使用数据采集系统，方便的与主机通信，不需要另外设置IRQ、中断和I/O端口。

普通电脑电源使用单元式结构，例如ATX、BTX、服务器电源，输出一组固定的直流电压，向电脑提供能量，但它没有测量其自身使用交流电参数的装置，即使同为民用电，不同国家也有不尽相同的交流电压等级和工频规范。

发明内容

为了使电源在提供电脑能量的同时，也能够监控交流电参数，如交流电压、交流电流、交流工频，本发明将USB数据采集系统置于电源单元内，如ATX电源、笔记本电脑电源、服务器电源单元内，使普通的电源具有USB接口，通过USB总线连接到主机，可以与主机通讯，用应用程序监测交流电参数。本发明的具体结构：

一种包含USB数据采集装置的电脑电源，它提供了电脑电源和USB接口，供给连接电脑主机，其特征在于，USB数据采集装置在电源单元内，USB数据采集装置包括有：

信号衰减器，以使信号适合传感器量程，输入连接交流电，输出连接传感器；传感器，将交流电参数转换为直流电压或电流信号，输出连接多路模拟开关；多路模拟开关和A/D转换器，将传感器的多路模拟输入信号转换为数字信号，输出连接微控制器；微控制器，对过程/数据进行控制，为核心器件，连接USB接口和A/D转换器；USB接口，通过USB总线与主机连接。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于：USB数据采集装置至少包括以下一种传感器：

交流电压传感器，用于测量电源的交流电压输入；

交流电流传感器，用于测量电源的交流电流输入；

交流频率传感器，用于测量电源的交流电频率。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，电源上的USB接口连接以下任一种USB接口：

(1)、电脑主机板上的USB接口，

(2)、电脑PCI-Express板上的USB接口，所述PCI-Express板包括X1、X4、X8、X16和X32板。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，USB接口是以下的任一方式：

(1)、包括+DATA、—DATA、POWER和GROUND，

(2)、包括+DATA、—DATA，在这种方式下，电源+5V和GROUND已由电源线连接到主机。如果连接PCI-Express板，属于这种情况。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，包含USB数据采集装置中微控制器和USB接口的芯片是以下任一类：

(1)单独运作的USB接口芯片，另连接微控制器配合工作，

(2)内含USB接口的微控制器。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，还包含USB集线器，以使电源单元提供另外的USB接口，连接其它串行设备。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，在A/D转换器输入端和USB总线上均有滤波装置，以保证电磁兼容性。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，本电源兼容普通同等规格容量电源，具有标准外形尺寸和安装方式，不使用USB接口时可浮空。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，所述的电脑电源是台式机电脑电源、笔记本电脑电源、电脑服务器电源、具USB主控制器和CPU的电子设备电源。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征在于，电源USB群组(英文是class)类别常数是：USB-DEVICE-CLASS-POWER。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征还在于，在经过信号衰减器后，电压传感器量程和频率传感器量程适用全球各国的民用和工业级别单相电源，电流传感器量程适合电脑的最大工作交流电流。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征还在于，USB数据采集装置的电路在一块独立的PCB板上，与电源供电电路间有电连接。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征还在于，本装置USB接口可以被主机操作系统自动识别，即插即用和热插拨。

上述包含USB数据采集装置的电脑电源，其特征还在于，多路模拟开关、A/D转换器、微控制器、USB接口相连部件中的2个或2个以上集成在一个芯片上。发明的有益效果：

(1)能够实时监测交流电状况，为电源和电脑系统安全运行提供了数据，

(2)使用方便，即插即用，用途广泛，在PC、IPC、服务器，工作站上均可实施。

附图说明

图1是本发明电脑电源的总体结构框图

图2是实施例USB数据采集装置核心部分电路图

图3是实施例固体程序结构框图

具体实施

下面用实施例具体说明装置的组成，重点介绍基于USB总线部分的数据采集装置的USB接口和微控制器。该装置由Philips公司的PDIUSBD12芯片及89C58微控制器等组成。文中，介绍了PDIUSBD12芯片的性能和特点及与微控制器的接口电路，总体设计思想及其层次结构，并给出了固件层次结构图。使用USB总线传输数据，为数据采集装置与电脑之间的通讯开辟道路。

USB数据采集系统的硬件部分包括衰减器、交流电压、电流和频率传感器、多路模拟开关、A/D转换器、微控制器和USB接口等，硬件总体结构如图1中虚线框内所示。

装置的多路模拟开关、A/D转换器采用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰的性能，电路使用电源提供的+5V。由于89C58系统控制A/D采样的工作非常简单，使用传感器将交流电量转换为直流电压是公知的技术，所以此处不再赘述介绍。USB接口软件包括USB设备驱动程序、设备固件、电脑主机端应用程序三部分。设备固件用C语言编写，其中设备固件的编写是本设计的重点，设备固件除了要完成测量和数据收发的功能外，还要控制USB通信接口芯片实现USB协议。

USB接口的硬件电路设计

PDIUSBD12是Philips公司的一款较新型的专用USB通信控制芯片，符合通用串行总线USB1.1版规范，内部集成有串行接口引擎(SIE)，320B FIFO存储器、收发器和电压调节器。该芯片采用8位并行数据线连接到微控制器，一位地址线用来区分写命令或读写数据，它支持三个USB端点，一个端点能保存128B，另两个能保存256B。对外部微控制器无任何限制。多种中断方式方便于块传输(Bulk)和同步传输，在块传输和同步传输时速度均可达到1Mbps的数据传输速率。微控制器与PDIUSBD12的连接电路示意图如图2所示：

PDIUSBD12与微控制器可以用地址数据总线复用/非复用两种连接方式。由于微控制器的连接外设不多，设计中采用了非复用方式。PDIUSBD12与USB插口的连接通过1.5KΩ的上拉电阻将D+置为高电平。因为只需要一位地址，所以PDIUSBD12的ALE直接接为低电平，用PDIUSBD12的A0脚作为地址位，A0用89C58的P3.3口控制：A0＝1，表示数据总线上是命令；A0＝0，表示数据总线上是数据。若是多位地址/数据总线复用，则PDIUSBD12的ALE作为地址锁存信号，A0接高电平，89C58的多位地址和数据总线直接与PDIUSBD12的数据总线相连。PDIUSBD12与89C58之间通过外部中断触发，中断引脚INT_N与89C58的外部中断相连。当PDIUSBD12的外部中断有一位为1时，INT_N输出低电平，触发89C58的外部中断。USB1.1协议规定，当总线上3us无活动时，外设进入挂起(SUSPEND)状态。同时，PDIUSBD12的SUSPEND引脚输出高电平。将此引脚与微控制器的一个I/O脚相连，当微控制器检测到PDIUSBD12进入挂起状态，而且同时也没有其他待处理事物时，MCU也进入休眠状态。

固件则响应各种来自系统的标准要求，完成各种数据的交换工作和事件处理，设备固件是设备运行的核心，采用C语言编写。其主要功能是通过PDIUSBD12实时上传数据给电脑；控制PDIUSBD12接受并处理USB设备驱动程序的请求。程序主要分四个模块：初始化模块、数据处理模块、控制模块和USB通信模块。设备与电脑相连后，初始化模块对设备进行初始化配置；数据处理模块主要负责前端数据的预处理，解释主机(host)请求，对请求进行相应的处理；控制模块则用于对前端硬件的控制。而USB通信模块负责主机与前端硬件的通信，是固件设计中的重点。USB通信固件设计的目标就是使PDIUSBD12在USB上达到最大的传输速率。根据USB协议，任何传输都是由主机开始的。微控制器作它的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备(这里是PDIUSBD12)，PDIUSBD12接收到令牌包后就给微控制器发中断。微控制器进入中断服务程序，首先读PDIUSBD12的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，然后执行相应的操作。USB通信固件采用层次结构，如图3所示：

微控制器与PDIUSBD12的通信主要是靠微控制器给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12数据手册给出了各种命令的代码和地址。微控制器先给PDIUSBD12的命令地址发命令，根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此，可以将每种命令做成函数，用函数实现各个命令，以后直接调用函数即可。将微控制器的中断设置为电平触发；中断后读上次传输状态寄存器(命令40～45H)，以清除中断寄存器中的中断标志使PDIUSBD12的中断输出变回高电平。在接收到Setup包后，调用D8命令重新使能端口0。在向IN端写完数据后，调用命令FAH，指明缓冲区中的数据有效，可以发送到主机。读写数据后，调用命令F2H，以保证可以接收新的包。可以通过调用命令FDH，检查PDIUSBD12是否工作。设备驱动程序和主机端应用软件的编写在电脑主机上完成，已超出本发明的叙述范围。

通过应用程序软件，能够快速准确地对USB设备进行数据的读写操作，实时监控从USB发来的数据，可以将电源USB采集到的交流电电压、电流和频率信号等传给电脑，电脑完成数据接收、数据保存、数据处理、计算、显示等功能。

Claims

1、一种包含USB数据采集装置的电脑电源，它提供了输出电源和USB接口，供给连接电脑主机，其特征在于，USB数据采集装置在电脑电源单元内，USB数据采集装置包括有：

信号衰减器，以使信号适合传感器量程，输入连接交流电，输出连接传感器；传感器，将交流电参数转换为直流电压或电流信号，输出连接多路模拟开关；多路模拟开关和A/D转换器，将传感器的多路模拟输入信号转换为数字信号，输出连接微控制器；

微控制器，对过程/数据进行控制，为核心器件，连接USB接口和A/D转换器；

USB接口，通过USB总线与主机连接。

2、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于：USB数据采集装置至少包括以下一种传感器：

交流电压传感器，用于测量电源的交流电压输入；

交流电流传感器，用于测量电源的交流电流输入；

交流频率传感器，用于测量电源的交流电频率。

3、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，电源上的USB接口连接以下任一种USB接口：

(1)、电脑主机板上的USB接口，

4、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，USB接口是以下的任一方式：

(1)、包括+DATA、—DATA、POWER和GROUND，

(2)、包括+DATA、—DATA，在这种方式下，电源+5V和GROUND已由输出电源线连接到主机。

5、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，包含USB数据采集装置中微控制器和USB接口的芯片是以下任一类：

(1)单独运作的USB接口芯片，另连接微控制器配合工作，

(2)内含USB接口的微控制器。

6、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，还包含USB集线器，以使电源单元提供另外的USB接口，连接其它串行设备。

7、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，在A/D转换器输入端和USB总线上均有滤波装置，以保证电磁兼容性。

8、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，本电源兼容普通同等规格容量电源，具有标准外形尺寸和安装方式，不使用USB接口时可浮空。

9、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，所述的电脑电源是台式机电脑电源、笔记本电脑电源、电脑服务器电源、具USB主控制器和CPU的电子设备电源。

10、根据权利要求1所述的电脑电源，其特征在于，电源USB群组类别常数是：USB-DEVICE-CLASS-POWER。