基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

    在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)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(nèi)環(huán)境的干擾而導致采集數(shù)據(jù)的失真，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(shè)計與實現(xiàn)

1．1硬件總體結(jié)構(gòu)

     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(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器、單片機、USB接口芯片，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。多路模擬信號經(jīng)過模擬開關(guān)傳到A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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 PDIUSBDl2芯片

    USB接口芯片采用Philips公司的一種專用芯片PDIUS-BDl2(以下簡稱D12)。該芯片完全符合USBl．1規(guī)范，集成了SIE、 320B的多配置FIFO存儲器、收發(fā)器、電壓調(diào)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    單片機通過8位并行接口傳送經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 USBl．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(shè)計與實現(xiàn)

    系統(tǒng)軟件包括USB設(shè)備固件編程、驅(qū)動程序和應用程序。其中設(shè)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(qū)動程序的請求和應用程序的控制指令。

2．1 USB設(shè)備固件程序設(shè)計與實現(xiàn)

    設(shè)備固件是設(shè)備運行的核心，用C語言設(shè)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(qū)動程序的請求，如請求描述符、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USBl．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(shè)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(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)

    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)層由通用串行總線驅(qū)動程序模塊(USBD)和主控制器驅(qū)動程序模塊(HCD)組成。

    為使驅(qū)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(diào)用的動態(tài)鏈接庫。這樣應用程序只需調(diào)用此庫提供的接口函數(shù)即可完成對USB設(shè)備的操作。USB函數(shù)層(USBD及HCD)由Windows98提供，負責管理USB設(shè)備驅(qū)動程序與USB控制器之間的通信、加載及卸載USB驅(qū)動程序等。目前Windows98提供的多種USB設(shè)備驅(qū)動程序并不針對實時數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此采用DDK開發(fā)工具設(shè)計專用的設(shè)備驅(qū)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人口點執(zhí)行一系列的初始化過程。

      即插即用管理模塊實現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動態(tài)配置。當Windows98檢測到USB設(shè)備接人時，查找相應的驅(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)動程序為USB設(shè)備建立一個功能設(shè)備對象。在此過程中，驅(qū)動程序收到一個IRlMN-STARIDEVICE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行對話。電源管理模塊負責設(shè)備的掛起與喚醒。 I／0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／0請求時調(diào)用Win32API函數(shù)DeviceToControl向設(shè)備發(fā)出命令；然后由I／0管理器構(gòu)造一個IRP并設(shè)置其MajorFunction域為IRP_MJ_DEVICE_CON-TROL。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)語句找到對應的例程入口。

2．3 應用程序設(shè)計與實現(xiàn)

    應用程序采用Visual Basic6．0編寫。由于其只需調(diào)用動態(tài)鏈接庫，故開發(fā)較簡單。主要功能包括檢測USB設(shè)備、開啟／關(guān)閉USB設(shè)備、設(shè)置A／D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、顯示并分析實時采集的數(shù)據(jù)。主框圖如圖5所示。

     由于D12的端點1的FIFO為16字節(jié)，端點2的FIFO為64字節(jié)，當緩沖區(qū)存滿后自動將數(shù)據(jù)打包，由SIE自動發(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

基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嚴格遵循USBl．1協(xié)議，有以下特點：

(1)易于擴展。最長傳輸距離5m，采用USBHub可達30m；最多可同時接127個設(shè)備。

(2)電磁干擾影響極小。本系統(tǒng)放置在計算機外部，不受板卡間的電磁干擾影響；若在電磁干擾極強的環(huán)境下工作，需專門為其設(shè)計電磁屏蔽方案。 (3)安裝方便，支持即插即用?？朔艘酝鶖?shù)據(jù)采集板卡需要打開機箱的麻煩。

(4)性價比高，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(5)實時采集，實時顯示。