??? 摘? 要: 基于通用串行總線(USB)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議,充分體現(xiàn)USB便捷、易擴(kuò)展、低成本、低干擾的特點(diǎn)。詳細(xì)介紹系統(tǒng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備固件、應(yīng)用程序的具體設(shè)計(jì)。?

??? 關(guān)鍵詞: 通用串行總線? 實(shí)時數(shù)據(jù)采集? 設(shè)備驅(qū)動程序

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??? 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。目前比較通用的是在PC或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集板卡,如A/D卡及422、485卡。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷:安裝麻煩;價格昂貴;受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制,可擴(kuò)展性差;在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場,無法專門對其做電磁屏蔽,導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。?

??? 通用串行總線(Universal Serial Bus,簡稱USB)是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足推廣的一種新型串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用USB總線的上述優(yōu)點(diǎn),有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。?

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)?

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)?

??? USB實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、USB通信接口和多路模擬開關(guān)。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

1.2 USBN9602芯片?

??? USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一種專用芯片USBN9602。該芯片內(nèi)部集成微處理器接口、FIFO存儲器、時鐘發(fā)生器、串行接口引擎(SIE)、收發(fā)器、3.3V電壓轉(zhuǎn)換器,支持DMA、微波接口,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。?

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??? 微控制器通過8位的并行接口傳送A/D采集的數(shù)據(jù),存儲在FIFO存儲器中;一旦FIFO存滿,SIE立刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其中包括:同步模式識別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/解填充、CRC產(chǎn)生與校驗(yàn)、地址識別、握手響應(yīng)與產(chǎn)生、USB特殊事件(Reset、Suspend、Resume)檢測;最后由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線(D+、D-)傳送數(shù)據(jù)至PC。上述過程嚴(yán)格遵守USB1.1協(xié)議。USBN9602與89C52的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。?

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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?

??? 系統(tǒng)軟件包括USB設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備固件、應(yīng)用程序。?

2.1 USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)?

??? USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型:較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB 函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成:較高級的通用串行總線驅(qū)動程序模塊(USBD)和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊(HCD)。它們的層次關(guān)系如圖4所示。?

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??? 在上述USB分層模塊中,USB函數(shù)層(USBD及HCD)由Windows98提供,負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動程序和USB控制器之間的通信;加載及卸載USB驅(qū)動程序;與USB設(shè)備通用端點(diǎn)(endpoint)建立通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。目前Windows98提供了多種USB設(shè)備驅(qū)動程序,但并不針對實(shí)時數(shù)據(jù)采集設(shè)備,因此需采用DDK開發(fā)工具設(shè)計(jì)專用的USB設(shè)備驅(qū)動程序。可以由四個模塊實(shí)現(xiàn):初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊。?

??? 初始化模塊提供一個DriverEntry入口點(diǎn)來執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。?

??? 即插即用管理模塊實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測到USB設(shè)備接入時,Windows98查找響應(yīng)的驅(qū)動程序,并調(diào)用它的DriverEntry例程,PnP管理器調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程,告訴它添加了一個設(shè)備;然后,驅(qū)動程序?yàn)閁SB設(shè)備建立一個FDO(功能設(shè)備對象),在此處理過程中,驅(qū)動程序收到一個IRP_MN_START_DEVICE 的 IRP,包括設(shè)備分配的資源信息。至此,設(shè)備被正確配置,驅(qū)動程序開始與硬件進(jìn)行對話。當(dāng)然,在設(shè)備運(yùn)行過程中,如果設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化(拔除、暫停等),PnP管理器也同樣發(fā)出相應(yīng)的IRP,由驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。?

??? 電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。?

??? I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I/O請求的大部分工作。當(dāng)應(yīng)用程序提出I/O請求時,它調(diào)用Win32 API函數(shù)DeviceIoControl來向設(shè)備發(fā)出命令。然后,由I/O管理器構(gòu)造一個IRP并設(shè)置其MajorFunction域?yàn)镮RP_MJ_DEVICE_CONTROL。USB設(shè)備驅(qū)動程序收到該IRP后,取出其中的控制碼,并利用一個開關(guān)語句來找到對應(yīng)的例程入口。?

2.2 設(shè)備固件(firmware)設(shè)計(jì)?

??? 設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心,采用匯編語言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制芯片USB9602接受并處理USB驅(qū)動程序的請求(如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等共10種USB1.1標(biāo)準(zhǔn)請求);控制芯片USB9602接受應(yīng)用程序的控制指令;控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集;通過USB9602存儲數(shù)據(jù)并實(shí)時上傳PC。其程序主框圖如圖5所示。

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??? 在圖5中,ALT事件表示硬件檢測到USBN9602處于下列狀態(tài):Reset、Resume、Suspend,由ALTEV寄存器匯報并產(chǎn)生中斷。?

2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)?

??? PC機(jī)或工控機(jī)應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的中心,采用Visual C++ 5.0編程。其功能主要有:開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道(pipe)、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。USB程序主框圖如圖6所示。?

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??? 由于USB9602提供的FIFO不超過64字節(jié),當(dāng)FIFO存滿后,USB9602自動將數(shù)據(jù)打包即時請求讀入數(shù)據(jù),由SIE自動發(fā)送數(shù)據(jù)包。程序獲得數(shù)據(jù)后,需延遲至下組數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備完畢,從而保證程序與設(shè)備采集頻率同步。另外,當(dāng)系統(tǒng)啟動A/D模塊后程序持續(xù)執(zhí)行,并采用多線程編程發(fā)出停止采集和關(guān)閉USB設(shè)備的命令。?

3 基于USB總線的數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)特點(diǎn)?

??? 基于USB總線的數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議,其性能特點(diǎn)如下:?

??? (1)安裝方便,支持即插即用。安裝時可在不關(guān)機(jī)不打開機(jī)箱的情況下將設(shè)備插入USB插槽,運(yùn)行驅(qū)動程序即可,以后可直接對設(shè)備熱插拔。?

??? (2)易擴(kuò)展。最長傳輸距離5m,采用Hub或中繼器可達(dá)30m;最多對外可接127個設(shè)備。?

??? (3)供電方便。USB總線直接利用主機(jī)電源為外設(shè)提供最大5V 500mA的電流,系統(tǒng)無需另備電源。?

??? (4)電磁干擾影響極小。由于本產(chǎn)品放置在計(jì)算機(jī)機(jī)箱外,不受箱內(nèi)的板間電磁干擾。如在電磁干擾較嚴(yán)重的環(huán)境下,可以為該產(chǎn)品專門設(shè)計(jì)屏蔽方案。?

??? (5)性價比高。遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。?

??? (6)實(shí)時采集,實(shí)時顯示。?

參考文獻(xiàn)?

1 Compaq, Intel, Microsoft, NEC. Universal Serial Bus?Specification. Revision 1.1, September 23, 1998?

2 National semiconductor. USBN9602 (Universal Serial?Bus)Full Speed Function Controller With DMA Support.November 1998?

3 史 波,田 凱.通用串行總線USB技術(shù)概述.信息技術(shù),2001; 4.?

4 毛德柱,周 凱.智能尋位加工技術(shù)中USB接口數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用研究.電子技術(shù)應(yīng)用, 2000;26(3)