??? 摘? 要: 介紹了基于USB總線(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集" title="實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集">實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB設(shè)備固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)。?
??? 關(guān)鍵詞: 通用串行總線(xiàn)? 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集? 設(shè)備固件? 驅(qū)動(dòng)程序?
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??? 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中,通常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。目前通用的通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡采集的方法存在著以下缺點(diǎn):安裝麻煩,易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的失真,易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,可擴(kuò)展性差。而通用串行總線(xiàn)USB(Universal Serial Bus)的出現(xiàn),很好地解決了上述問(wèn)題,很容易實(shí)現(xiàn)便捷、低成本、易擴(kuò)展、高可靠性的數(shù)據(jù)采集,代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。?
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?
1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)?
??? 基于USB總線(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開(kāi)關(guān)、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、USB接口芯片,其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。多路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)傳到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),單片機(jī)控制采集, USB接口芯片存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)并將其上傳至PC,同時(shí)也接收PC機(jī)USB控制器的控制信息。?
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1.2 PDIUSBD12芯片?
??? USB接口芯片采用Philips公司的一種專(zhuān)用芯片PDIUSBD12(以下簡(jiǎn)稱(chēng)D12)。該芯片完全符合USB1.1規(guī)范,集成了SIE、320B的多配置FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器、電壓調(diào)整器、SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等,支持雙電壓工作、完全自動(dòng)DMA 操作、多中斷模式,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。?
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??? 單片機(jī)通過(guò)8位并行接口傳送經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù),存儲(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中。一旦存滿(mǎn),串行接口引擎SIE立刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括同步模式識(shí)別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/不填充、CRC校驗(yàn)、PID確認(rèn)、地址識(shí)別以及握手鑒定,處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收/發(fā)器通過(guò)D+、D-發(fā)送至PC。上述過(guò)程遵循USB1.1協(xié)議。D12與89C51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)與實(shí)現(xiàn)?
??? 系統(tǒng)軟件包括USB設(shè)備固件編程、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。其中設(shè)備固件是整個(gè)系統(tǒng)的核心,它控制芯片D12采集數(shù)據(jù)、接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求和應(yīng)用程序的控制指令。?
2.1 USB設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?
??? 設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心,用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集;接收并處理驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求,如請(qǐng)求描述符、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請(qǐng)求設(shè)備設(shè)置、請(qǐng)求或設(shè)置設(shè)備接口等USB1.1標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求;控制芯片D12接收應(yīng)用程序的控制指令等。其程序主框圖如圖4所示。單片機(jī)檢測(cè)到D12后進(jìn)入主循環(huán)。此時(shí)PC機(jī)先發(fā)令牌包給D12,D12接收到令牌包后給單片機(jī)發(fā)中斷,單片機(jī)據(jù)中斷類(lèi)型設(shè)定標(biāo)志位Status,最后執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)志位的中斷服務(wù)程序。單片機(jī)通過(guò)A/D模塊的中斷入口控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集。?
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2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?
??? USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用分層結(jié)構(gòu)模型:較高級(jí)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序" title="設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序">設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由通用串行總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序模塊(USBD)和主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊(HCD)組成。?
??? 為使驅(qū)動(dòng)程序具有通用性,也為簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),編寫(xiě)了供應(yīng)用程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。這樣應(yīng)用程序只需調(diào)用此庫(kù)提供的接口函數(shù)即可完成對(duì)USB設(shè)備的操作。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(dòng)程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序等。目前Windows98提供的多種USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并不針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備,因此采用DDK開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)專(zhuān)用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其由四個(gè)模塊組成:初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I/O" title="I/O">I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊。?
??? 初始化模塊提供一個(gè)DriverEntry入口點(diǎn)執(zhí)行一系列的初始化過(guò)程。?
??? 即插即用管理模塊實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)Windows98檢測(cè)到USB設(shè)備接入時(shí),查找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,并調(diào)用它的DriverEntry例程,PnP管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice例程,告訴它添加了一個(gè)設(shè)備;然后驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閁SB設(shè)備建立一個(gè)功能設(shè)備對(duì)象。在此過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)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(dòng)程序開(kāi)始與硬件進(jìn)行對(duì)話(huà)。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(qǐng)求的大部分工作。當(dāng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提出I/O請(qǐng)求時(shí)調(diào)用Win32API函數(shù)DeviceToControl向設(shè)備發(fā)出命令;然后由I/O管理器構(gòu)造一個(gè)IRP并設(shè)置其MajorFunction域?yàn)镮RP_MJ_DEVICE_CONTROL。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到該IRP后取出其中的控制碼,并利用一個(gè)開(kāi)關(guān)語(yǔ)句找到對(duì)應(yīng)的例程入口。?
2.3? 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?
??? 應(yīng)用程序采用Visual Basic6.0編寫(xiě)。由于其只需調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),故開(kāi)發(fā)較簡(jiǎn)單。主要功能包括檢測(cè)USB設(shè)備、開(kāi)啟/關(guān)閉USB設(shè)備、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、顯示并分析實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。主框圖如圖5所示。?
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??? 由于D12的端點(diǎn)1的FIFO為16字節(jié),端點(diǎn)2的FIFO為64字節(jié),當(dāng)緩沖區(qū)存滿(mǎn)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包,由SIE自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包。程序獲得數(shù)據(jù)包后需延遲至下組數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備完畢,從而保證程序與數(shù)據(jù)采集同步。另外程序還發(fā)出停止采集和關(guān)閉USB設(shè)備的命令。?
3 系統(tǒng)特點(diǎn)?
??? 基于USB總線(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議,有以下特點(diǎn):?
??? (1)易于擴(kuò)展。最長(zhǎng)傳輸距離5m,采用USBHub可達(dá)30m;最多可同時(shí)接127個(gè)設(shè)備。?
??? (2)電磁干擾影響極小。本系統(tǒng)放置在計(jì)算機(jī)外部,不受板卡間的電磁干擾影響;若在電磁干擾極強(qiáng)的環(huán)境下工作,需專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)電磁屏蔽方案。?
??? (3)安裝方便,支持即插即用?？朔艘酝鶖?shù)據(jù)采集板卡需要打開(kāi)機(jī)箱的麻煩。?
??? (4)性?xún)r(jià)比高,遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。?
??? (5)實(shí)時(shí)采集,實(shí)時(shí)顯示。?
參考文獻(xiàn)?
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