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基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
摘要：介紹了基于ＵＳＢ總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的ＵＳＢ設備固件程序、驅動程序、應用程序的設計與具體實現(xiàn)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究的各行業(yè)中，通常需要對各種數(shù)據(jù)進行采集。目前通用的通過數(shù)據(jù)采集板卡采集的方法存在著以下缺點：安裝麻煩，易受機箱內環(huán)境的干擾而導致采集數(shù)據(jù)的失真?熏易受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，
可擴展性差。而通用串行總線ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）的出現(xiàn)，很好地解決了上述問題，很容易實現(xiàn)便捷、低成本、易擴展、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。
１ 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)
１．１ 硬件總體結構
基于ＵＳＢ總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開關、Ａ／Ｄ轉換器、單片機、ＵＳＢ接口芯片，其硬件總體結構如圖１所示。多路模擬信號經(jīng)過模擬開關傳到Ａ／Ｄ轉換器轉換為數(shù)字信號?熏單片機控制采集，ＵＳＢ接口芯片存儲采集到的數(shù)據(jù)并將其上傳至ＰＣ，同時也接收ＰＣ機ＵＳＢ控制器的控制信息。
１．２ ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片
ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種專用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下簡稱Ｄ１２）。該芯片完全符合ＵＳＢ１．１規(guī)范，集成了ＳＩＥ、３２０Ｂ的多配置ＦＩＦＯ存儲器、收發(fā)器、電壓調整器、ＳｏｆｔＣｏｎｎｅｃｔ、ＧｏｏｄＬｉｎｋ、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等，支持雙電壓工作、完全自動ＤＭＡ 操作、多中斷模式，內部結構如圖２所示。
單片機通過８位并行接口傳送經(jīng)過Ａ／Ｄ轉換的采集數(shù)據(jù)，存儲在ＦＩＦＯ存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎ＳＩＥ立刻對數(shù)據(jù)進行處理，包括同步模式識別、并／串轉換、位填充／不填充、ＣＲＣ校驗、ＰＩＤ確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收／發(fā)器通過Ｄ＋、Ｄ－發(fā)送至ＰＣ。上述過程遵循ＵＳＢ１.１協(xié)議。Ｄ１２與８９Ｃ５１的具體實現(xiàn)電路如圖３所示。
２ 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
系統(tǒng)軟件包括ＵＳＢ設備固件編程、驅動程序和應用程序。其中設備固件是整個系統(tǒng)的核心，它控制芯片Ｄ１２采集數(shù)據(jù)、接收并處理ＵＳＢ驅動程序的請求和應用程序的控制指令。
２．１ ＵＳＢ設備固件程序設計與實現(xiàn)
設備固件是設備運行的核心，用Ｃ語言設計。其主要功能是控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集；接收并處理驅動程序的請求，如請求描述符、請求或設置設備狀態(tài)、請求設備設置、請求或設置設備接口等ＵＳＢ１.１標準請求；控制芯片Ｄ１２接收應用程序的控制指令等。其程序主框圖如圖４所示。單片機檢測到Ｄ１２后進入主循環(huán)。此時ＰＣ機先發(fā)令牌包給Ｄ１２，Ｄ１２接收到令牌包后給單片機發(fā)中斷，單片機據(jù)中斷類型設定標志位Ｓｔａｔｕｓ；最后執(zhí)行相應標志位的中斷服務程序。單片機通過Ａ／Ｄ模塊的中斷入口控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集。
２．２ 驅動程序設計與實現(xiàn)
ＵＳＢ系統(tǒng)驅動程序采用分層結構模型：較高級的ＵＳＢ設備驅動程序和較低級的ＵＳＢ函數(shù)層。其中ＵＳＢ函數(shù)層由通用串行總線驅動程序模塊（ＵＳＢＤ）和主控制器驅動程序模塊（ＨＣＤ）組成。
圖3 PDIUSBD12與89C51的具體實現(xiàn)電路
為使驅動程序具有通用性，也為簡化應用程序的開發(fā)，編寫了供應用程序調用的動態(tài)鏈接庫。這樣應用程序只需調用此庫提供的接口函數(shù)即可完成對ＵＳＢ設備的操作。ＵＳＢ函數(shù)層（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供，負責管理ＵＳＢ設備驅動程序與ＵＳＢ控制器之間的通信、加載及卸載ＵＳＢ驅動程序等。目前Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供的多種ＵＳＢ設備驅動程序并不針對實時數(shù)據(jù)采集設備，因此采用ＤＤＫ開發(fā)工具設計專用的設備驅動程序。其由四個模塊組成：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及Ｉ／Ｏ功能實現(xiàn)模塊。
初始化模塊提供一個ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口點執(zhí)行一系列的初始化過程。
即插即用管理模塊實現(xiàn)ＵＳＢ設備的熱插拔及動態(tài)配置。當Ｗｉｎｄｏｗｓ９８檢測到ＵＳＢ設備接入時，查找相應的驅動程序，并調用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程，ＰｎＰ管理器調用驅動程序的ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ例程，告訴它添加了一個設備；然后驅動程序為ＵＳＢ設備建立一個功能設備對象。在此過程中，驅動程序收到一個ＩＲＰ＿ＭＮ＿ＳＴＡＲＴ＿ＤＥＶＩＣＥ的ＩＲＰ，包括設備分配的資源信息。至此，設備被正確配置，驅動程序開始與硬件進行對話。電源管理模塊負責設備的掛起與喚醒。
Ｉ／Ｏ功能實現(xiàn)模塊完成Ｉ／Ｏ請求的大部分工作。當動態(tài)鏈接庫提出Ｉ／Ｏ請求時調用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ函數(shù)ＤｅｖｉｃｅＴｏＣｏｎｔｒｏｌ向設備發(fā)出命令；然后由Ｉ／Ｏ管理器構造一個ＩＲＰ并設置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ域為ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ。ＵＳＢ設備驅動程序收到該ＩＲＰ后取出其中的控制碼，并利用一個開關語句找到對應的例程入口。
２．３ 應用程序設計與實現(xiàn)
應用程序采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ６．０編寫。由于其只需調用動態(tài)鏈接庫，故開發(fā)較簡單。主要功能包括檢測ＵＳＢ設備、開啟／關閉ＵＳＢ設備、設置Ａ／Ｄ狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、顯示并分析實時采集的數(shù)據(jù)。主框圖如圖５所示。
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