0 引言

　　隨著工業(yè)技術(shù)的急劇發(fā)展，虛擬儀器在機(jī)械控制及測(cè)量分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器除了可以完成傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的功能外，還擁有龐大的數(shù)據(jù)處理能力[1]。LabVIEW便是由美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments，NI)公司發(fā)布的一款虛擬儀器軟件。LabVIEW可以與NI公司的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，針對(duì)這種數(shù)據(jù)卡，只需要在程序框圖中選擇對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)并編程便可實(shí)現(xiàn)USB連接及數(shù)據(jù)采集，這種情況無(wú)需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序。但對(duì)于非NI公司的USB接口數(shù)據(jù)采集卡，必須使用LabVIEW自行編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序才能夠驅(qū)動(dòng)USB并完成數(shù)據(jù)采集。

　　可編程的片上系統(tǒng)（Programmable System-on-Chip，PSoC）是賽普拉斯公司推出的系列芯片。其中PSoC3的單個(gè)芯片集微控制器、存儲(chǔ)器、模擬和數(shù)字外設(shè)功能為一體，具有USB等通信接口。借助PSoC Creator這一原理圖設(shè)計(jì)及輸入工具，便可以輕松完成片上的模擬數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　為了使LabVIEW能夠更普遍地使用通用USB設(shè)備，本文系統(tǒng)地闡述了LabVIEW與PSoC3通過(guò)USB通信的四種方式，最后列舉了其中兩種方式的LabVIEW設(shè)計(jì)程序和測(cè)試效果。

1 LabVIEW連接USB的方式

　　對(duì)于非NI公司的通用USB接口設(shè)備，必須使用LabVIEW編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。一般有四種方法：使用調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function Node，CLF)方式調(diào)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；使用代碼接口節(jié)點(diǎn)(Code Interface Node，CIN)調(diào)用外部代碼；使用虛擬儀器軟件架構(gòu)(NI-Virtual Instrument Software Architecture，NI-VISA)配置USB；將USB接口轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)abVIEW已定義的外設(shè)接口類(lèi)型，例如聲卡、串口等類(lèi)型。

　　1.1 CLF方式

　　CLF方式為在程序框圖中使用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，DLL）。DLL是一種允許多個(gè)程序共享并執(zhí)行某些代碼或者資源的可執(zhí)行文件[3]。LabVIEW沒(méi)有非NI公司USB接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，用戶(hù)需要使用其他開(kāi)發(fā)軟件（VC++、C等）自行開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序并封裝為DLL，以供LabVIEW調(diào)用[4]。

　　LabVIEW調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的步驟如下：在程序框圖中放置庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)，其位置在“互連接口——庫(kù)與可執(zhí)行程序——調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”，雙擊庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)或者右擊選擇配置菜單選項(xiàng)，進(jìn)入配置對(duì)話(huà)框。在“函數(shù)”標(biāo)簽中選擇自己編寫(xiě)并封裝的DLL庫(kù)函數(shù)名稱(chēng)及某個(gè)功能函數(shù)。在“參數(shù)”標(biāo)簽中設(shè)置庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出參數(shù)及數(shù)據(jù)類(lèi)型。由于只有指針類(lèi)型的輸出參數(shù)能夠正確傳出，所以要注意將輸出參數(shù)的傳遞屬性設(shè)置為指針類(lèi)型。

　　1.2 CIN方式

　　LabVIEW的CIN圖標(biāo)可以通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)與其他編程語(yǔ)言的通信。使用CIN圖標(biāo)同樣需要設(shè)置輸入輸出參數(shù)。當(dāng)LabVIEW程序運(yùn)行到CIN節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)輸入端口進(jìn)入其他語(yǔ)言源代碼中，運(yùn)行完源代碼之后再通過(guò)輸出端口返回到LabVIEW程序。在其他語(yǔ)言源代碼中要獲取USB設(shè)備句柄并設(shè)置USB接口值等參數(shù)。從LabVIEW 2010升級(jí)版取消了代碼接口節(jié)點(diǎn)后，此方式已較少使用。

　　1.3 NI-VISA方式

　　VISA是一個(gè)用來(lái)與各種儀器總線(xiàn)進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口。NI-VISA從3.0版本開(kāi)始支持USB通信，它的兩種VISA類(lèi)函數(shù)可以控制兩類(lèi)USB設(shè)備：USB儀器(Instruction，INSTR)設(shè)備與USB 讀寫(xiě)(Read And Write，RAW)設(shè)備，NI-VISA與這兩種USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信的編程是不同的[5]。

　　1.3.1 NI-VISA與USB INSTR設(shè)備的通信

　　這種方式不需要配置NI-VISA，直接使用圖1所示程序便可實(shí)現(xiàn)兩者的通信。

　　1.3.2 NI-VISA與USB RAW設(shè)備的通信

　　這種方式需要配置NI-VISA，配置步驟如下：

　　(1)對(duì)下位機(jī)PSoC3供電并將USB總線(xiàn)接入個(gè)人電腦。

　　(2)打開(kāi)NI-VISA Driver Wizard，將USB作為缺省驅(qū)動(dòng)程序。

　　(3)進(jìn)入基本信息設(shè)置窗口，設(shè)置USB的基本信息。在Device List中可以選擇Other選項(xiàng)，點(diǎn)擊Next進(jìn)入U(xiǎn)SB的基本信息填寫(xiě)對(duì)話(huà)框。但因?yàn)橐呀?jīng)連接了USB設(shè)備，所以此處可以直接單擊連接的USB設(shè)備，在下方自動(dòng)填寫(xiě)USB設(shè)備對(duì)應(yīng)的供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、制造商名稱(chēng)和型號(hào)名稱(chēng)。

　　(4)指定INF文檔的存放文件夾。

　　(5)安裝INF文檔。

　　設(shè)置完畢，運(yùn)行上位機(jī)時(shí)，便可以在“VISA資源名”顯示框中搜索到連接的USB設(shè)備。如圖2，此時(shí)表示PSoC3可與LabVIEW實(shí)現(xiàn)通信。

　　1.4 使用LabVIEW已有的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型

　　因?yàn)長(zhǎng)abVIEW本身具有一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，例如聲卡、串口等，LabVIEW可直接利用這些已有的圖標(biāo)完成編程。此時(shí)需要將下位機(jī)PSoC3構(gòu)建為這些設(shè)備。

2 將PSoC3構(gòu)建為USB設(shè)備的方式

　　PSoC3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(PSoC Creator)中的全速USB組件USBFS(Full Speed USB)為控制端點(diǎn)提供了低層驅(qū)動(dòng)程序。此組件提供了USBFS自定義程序，從而可以方便實(shí)現(xiàn)描述符的構(gòu)建[6]。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的不同，開(kāi)發(fā)者可以構(gòu)建普通的USB設(shè)備，也可以構(gòu)建基于USB類(lèi)的設(shè)備。構(gòu)建為基于USB類(lèi)的設(shè)備的最大優(yōu)勢(shì)是操作系統(tǒng)中集成了這些類(lèi)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，免去了開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。例如需要中斷傳輸，可以構(gòu)建基于人機(jī)接口類(lèi)的設(shè)備(USB_DEVICE_CLASS_HUMAN INTERFACE，HID)；需要批量傳輸，可以構(gòu)建為基于通信類(lèi)的設(shè)備（USB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONS，CDC）；需要等時(shí)傳輸可以構(gòu)建為基于音頻類(lèi)的設(shè)備（USB_DEVICE_ CLASS_AUDIO，Audio）。

　　2.1 將PSoC3構(gòu)建為普通的USB設(shè)備

　　此方式為PSoC3端最簡(jiǎn)單的方式。雖然各種描述符的構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要使用中斷傳輸、等時(shí)傳輸、批量傳輸?shù)葌鬏敺绞?，但代價(jià)是USB主機(jī)端(如PC)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提高。開(kāi)發(fā)者必須針對(duì)此設(shè)備編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，否則該設(shè)備將無(wú)法運(yùn)行。NI-VISA雖然可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)過(guò)程，但是簡(jiǎn)單的接口描述符和端點(diǎn)描述符決定了此種方式很難完成大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸。因此，這種方式只適合普通、少量的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2 將PSoC3構(gòu)建為基于HID類(lèi)、CDC類(lèi)的設(shè)備

　　HID類(lèi)是應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)USB類(lèi)，操作系統(tǒng)的支持使HID類(lèi)的開(kāi)發(fā)變得較為容易。USB主機(jī)通過(guò)HID報(bào)表描述符獲取主機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)的意義，以及應(yīng)該發(fā)送什么數(shù)據(jù)給USB設(shè)備。對(duì)于PSoC3來(lái)說(shuō)，HID類(lèi)只適合傳輸一些低傳輸速率的數(shù)據(jù)，這是因?yàn)镠ID類(lèi)在實(shí)際應(yīng)用方面有一些限制：(1)所有的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型必須為控制傳輸和中斷傳輸；(2)一次最多傳輸64字節(jié)，1 ms傳輸一次，所以速率限制為64 kb/s；(3)僅支持一個(gè)輸入端點(diǎn)和一個(gè)輸出端點(diǎn)；(4)只能由USB主機(jī)周期性輪詢(xún)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸[7]。

　　基于CDC類(lèi)的器件可以彌補(bǔ)HID類(lèi)在以上方面的限制。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)PSoC Creator中的USBUART組件將PSoC3構(gòu)建為基于CDC類(lèi)的器件，而操作系統(tǒng)通常都自帶CDC類(lèi)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。PSoC3通過(guò)USB口連接到PC后，PC端識(shí)別為普通串口設(shè)備。這樣USB接口在LabVIEW與PSoC3之間相當(dāng)于透明的，LabVIEW端完全可以忽略USB的存在，只當(dāng)PC端連接到了一個(gè)普通的串口設(shè)備，使用串口的一系列圖標(biāo)便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。相對(duì)于HID類(lèi)設(shè)備，既提高了傳輸速度，又簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

　　2.3 將PSoC3構(gòu)建為基于Audio類(lèi)的設(shè)備

　　以上兩種方式在實(shí)際應(yīng)用上并不能應(yīng)對(duì)所有的PSoC3和LabVIEW之間的通信問(wèn)題。例如USB連接的多路信號(hào)采集顯示及分析設(shè)備，需要將多路信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)USB實(shí)時(shí)地上傳到LabVIEW端。將PSoC3配置為基于Audio類(lèi)的設(shè)備有助于處理好系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)性和上位機(jī)下位機(jī)之間采樣率同步等問(wèn)題。和HID類(lèi)與CDC類(lèi)相同的是，一般的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中都集成了Audio類(lèi)的驅(qū)動(dòng)程序，將配置好的PSoC3連接到PC后，PC端識(shí)別為USB音頻設(shè)備，USB接口在LabVIEW與PSoC3之間也相當(dāng)于透明的。LabVIEW與PSoC3之間借用音頻的左右聲道傳輸數(shù)據(jù)，并且可以利用Audio類(lèi)對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步和采樣率的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和同步處理，從而大大簡(jiǎn)化了LabVIEW和PSoC3之間此類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸復(fù)雜程度。

3 LabVIEW與PSoC3基于USB通信的測(cè)試

　　3.1 通過(guò)配置NI-VISA實(shí)現(xiàn)通信的測(cè)試

　　通過(guò)NI-VISA配置USB設(shè)備的前面板與程序框圖如圖3、圖4所示，此方法中上位機(jī)LabVIEW使用配置NI-VISA方式，下位機(jī)將PSoC3構(gòu)建為普通的USB設(shè)備。點(diǎn)擊圖3中實(shí)時(shí)采集按鈕，實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)。圖4的程序框圖中使用的是USB RAW設(shè)備配置方法。

　　3.2 將PSoC3構(gòu)建為基于Audio類(lèi)設(shè)備的測(cè)試

　　此方法的前面板與程序框圖如圖5、圖6所示。此方法中上位機(jī)LabVIEW直接使用聲卡驅(qū)動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示，下位機(jī)將PSoC3構(gòu)建為基于Audio類(lèi)的設(shè)備。圖5中上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)解包后實(shí)時(shí)顯示，采集到的是四個(gè)具有相位差的正弦信號(hào)，圖6是通過(guò)聲卡驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)的程序。

4 總結(jié)

　　本文系統(tǒng)地介紹了LabVIEW與PSoC3基于USB的幾種通信方式，各種方式都有各自的適用場(chǎng)合。LabVIEW的四種方式中，CLF可以調(diào)用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)相對(duì)困難。CIN方式雖可以與其他編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)鏈接，但目前LabVIEW已取消了這個(gè)節(jié)點(diǎn)函數(shù)。NI-VISA使用更方便，應(yīng)用更廣泛。將PSoC3構(gòu)建為基于USB類(lèi)設(shè)備的方式可以避免對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)及VISA的配置，可直接使用LabVIEW已有驅(qū)動(dòng)程序，更簡(jiǎn)化了程序的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同，可以將PSoC3配置為基于HID類(lèi)、CDC類(lèi)和Audio類(lèi)的設(shè)備。

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