基于AN2131QC控制芯片实现USB接口电路监测系统的设计
引言
电力是国家的重要能源，如果电网电压不稳定，会对工农业生产、居民生活造成很大影响，为此电业部门要求定量监测电网电压。电业部门的管理形式为市供电公司管理下属各级变电站，由于各变电站之间的距离较远，组建专用的计算机网络需要较多的资金，设备维护也有一定的困难。针对这种情况，我们用较低的成本开发出了基于usb接口电路的远程电压监测系统。从目前使用上看，设备运行稳定，维护方便。
1 系统原理
目前各级变电站配出的电压有10 kv，4．6 kv，380 v等多种形式。这些不同的电压通过变压在变电站以220 v出现，供变电站来监测配电电压的变化。我们通过这些220 v低电压来监测各种高电压。硬件电路如图1所示。变压器t将220 v交流信号变压，得到30 v交流信号，此信号经过硅桥、电容整形为直流信号，经过可变电阻降为10 v直流电压，通过a／d转换器采集电压值，处理芯片对采集的信号进行处理，并将数据存入u盘中。当数据采集一段时间后，将u盘换下，在供电公司将u盘中的数据读入计算机，完成数据的进一步处理。数据采集由数据采集电路完成，该电路包括a／d转换器，a／d采用ad574a，数据采集在50 hz工频电压整数倍周期时间内10次采样，计算出平均值，形成一个测量数据，测得5次测量数据，取3个中间值，以去掉干扰，然后采用滑动平均值方式计算出一个有效数据。监测的电压值由处理芯片进行处理，以2个字节补码形式存放在片内内存中，在规定的时间将一批数据存入u盘。为避免u盘多次使用后出现失效位，在向u盘入2个字节的数据时，将下一个字节写入同样的数据作为标志，当两数据相同时，说明是一组有效数据；当两数据不同时，说明内存单元烧坏，应将此两单元丢掉。
2 an2131qc芯片的应用
usb接口是一种应用在计算机领域的新型接口技术，其目的是用usb来取代计算机现有的各种外围接口，使外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插拔、速率高和易扩展等特点。本设计选择的控制芯片是ez_usb系列的an2131qc。此芯片提供了基于ram的允许无限制设置和升级的解决方案，支持全速 usb总线吞吐量的传输。在芯片内核中提供大量的辅助指令，简化了编码，同时也加快了对usb特性的开发。芯片的简化结构如图2所示。an213lqc内部有一个核：它由串行接口引擎（sie）和usb接口两部分组成。sie负责和usb收发器、usb接口进行数据交换，以实现串行数据的编／解码、差错控制、位填充等与usb协议相关的功能。
2．1 an2131qc的功能
an2131qc是基于usbl．1的外设通信控制芯片，主要特点：（1）4时钟周期的8051内核；（2）2个快速存储器到存储器的数据传送指针； （3）扩展的中断，包含有多个usfb数据传输中断；（4）8 k内部ram，用于存放程序和数据，支持外部存储器；（5）灵活的固件程序升级；（6）32个输入输出管道，其中同步传输支持1 024 b长度数据传输；（7）多种固件程序引导方式，方便的固件程序升级办法。
2．2 an2131qc的usb传输
an213lqc的usb传输分为块传输、控制传输和中断传输。usb规范允许块传输的最大数据包尺寸为8、16、32、64字节，中断数据1～64字节。an2131qc提供了8个in端点和8个out端点，每一个端点具有最大64字节的缓冲区空间。其中第2、4、6个in和out端点可以和它紧接着的端点提供双缓冲区，允许8051在处理一个数据包的同时另外一个数据包在usb总线上传输，即6个端点对（usbpair寄存器）控制双缓冲。8051 在初始化时设置14个端点有效位，并且通知an213lqc哪一个端点有效。块数据出现在ram中，每一个块端点保留了64字节的ram空间，1位计数寄存器，2位控制和状态寄存器。8051能读取状态寄存器中的一位来决定端点是否为“忙”。在端点的忙位被设置时，8051不能读写端点缓冲区和字节计数寄存器。当一个端点为805l操作准备好时，an2131qc设置一个中断清求位。an2131qc向量中断系统根据端点自动传输控制，从中断服务子程序分离出中断请求来响应端点请求服务。
端点o是an2131qc芯片中唯一的控制端点。an2131qc提供了2个64字节的缓冲区inobuf和outobuf。另外有一个附加的8字节缓冲区，对端点o来说是唯一的，这个缓冲区保存着在控制传输过程中的setup阶段到达时的数据。中断传输是一种特殊的块传输。an2131qc控制端点o接收特殊的setup令牌，它是一种主机用来处理设备控制信号的传输。主机通过端点。发送一系列标准设备请求表。
2．3 an2131qc的程序引导
an2131qc内部没有rom，因此程序只能在上电复位时从外部导入，主要为以下几个途径：
（1）通过驱动程序，cypress公司提供了工具将编译的固件hex文件嵌入到驱动程序内，usb外围设备接入到总线后，主机自动将固件程序写入到：ez-usb内ram，完成枚举和重枚举。
（2）通过外部12ce2prom。将固件hex文件通过“hex2bix-i-b2（target）．iic（source）．hex”命令转换成 iic文件，用编程器或者“控制面板程序”写入到i2c器件。i2c器件选用24lc64a或者24aa64，将其a0管脚上拉到高电平，a1，a2接地。
（3）采用外部flashirom和ram。固件程序如果大于4 k，那么就要考虑用这种方式，注意ea上拉到高电平。
2．4 an2131qc的电路配置
主机向外围usb设备提供的最大电流是500 ma，因此当usb外围设备电流消耗超过500 ma时，需外接电源。an2131qc的工作电压是3．3 v，可以通过ldo芯片将5 v转换成3．3 v。
几点要说明：
（1）芯片的5、6、13、14、72脚通过一个1 kω电阻接地，主要用于上电测试。
（2）无论i2c总线是否外接有器件，scl和sda管脚都应通过2．2 kω的电阻上拉。
（3）不能让wakeup管脚悬空。
（4）将usb+和usb-通过2个24 ω电阻接到d+和d-端，可以抑制虚噪声信号和限制环流。
2．5 an213lqc的固件程序开发
从cypress公司网站，可以下载到“控制面板程序”和驱动程序，也可以得到开发例程。通过开发例程，可以总结出开发自己固件程序的框架，从而可以完成 usb外围设备的开发。在建立固件程序框架后，根据地址分配，在keilc51编译器内设置编译连接地址，如果选用内部ram，code地址设置为 oxl00，xdata地址设置为oxl200。
3 辅助电路
看门狗电路用来防止系统因干扰造成的死机，电路见图3。当系统正常工作时，由软件控制，在短于单稳态t1的定时周期内，通过805l的p3．1脚向其发触发脉冲，使其工作在暂稳态，1q保持低电平。一旦系统工作不正常，当单稳态定时时间一到，在2q输出端输出一个负脉冲，使系统复位。
键盘、显示电路，该电路完成电路各种状态的设定及显示。按键共有ubs传输停止、时间设定、状态设定、+、-等键。通过74ls237与处理芯片相连。单片机使用查寻方式检测按键状态。显示电路由4片数码组成。
4 数据的处理
数据采集电路在现场工作一段时间、约为lo天后，将u盘取下，通过供电公司的计算机将u盘中的数据读入，并将u盘的内容清除以备重复使用。数据处理有如下内容，各变电站的日、月电压合格率统计报表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出现时间、延续时间、最小值、出现时间、延续时间。变电站的日、月电压运行曲线，供电局季度、年供电统计表等几部分。在完成变电站的日、月电压运行曲线时，根据测得的电压值在显示器上以二阶方程形式平滑显示，通过向显示器上置点的方式作出，使得电压变化曲线直观、准确。将显示器上做出的曲线以图像形式读入内存，通过变换打出曲线。软件用visual basic完成，使用下拉式菜单结构，具有良好的用户介面。
5 结束语
由于使用了基于an2131qc的usb接口电路进行数据传输，简化了控制电路，节约了资金，从使用上看，系统运行稳定，维护方便，满足设计要求。
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1 系统原理
目前各级变电站配出的电压有10 kv，4．6 kv，380 v等多种形式。这些不同的电压通过变压在变电站以220 v出现，供变电站来监测配电电压的变化。我们通过这些220 v低电压来监测各种高电压。硬件电路如图1所示。变压器t将220 v交流信号变压，得到30 v交流信号，此信号经过硅桥、电容整形为直流信号，经过可变电阻降为10 v直流电压，通过a／d转换器采集电压值，处理芯片对采集的信号进行处理，并将数据存入u盘中。当数据采集一段时间后，将u盘换下，在供电公司将u盘中的数据读入计算机，完成数据的进一步处理。数据采集由数据采集电路完成，该电路包括a／d转换器，a／d采用ad574a，数据采集在50 hz工频电压整数倍周期时间内10次采样，计算出平均值，形成一个测量数据，测得5次测量数据，取3个中间值，以去掉干扰，然后采用滑动平均值方式计算出一个有效数据。监测的电压值由处理芯片进行处理，以2个字节补码形式存放在片内内存中，在规定的时间将一批数据存入u盘。为避免u盘多次使用后出现失效位，在向u盘入2个字节的数据时，将下一个字节写入同样的数据作为标志，当两数据相同时，说明是一组有效数据；当两数据不同时，说明内存单元烧坏，应将此两单元丢掉。
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4 数据的处理
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