基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：USB接口的通用性和簡(jiǎn)便性使其成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。因此，設(shè)計(jì)一款以單片機(jī)控制MAX197芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及通過USB接口芯片PDIUSBD12進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟杉到y(tǒng)，并詳細(xì)介紹了單片機(jī)固件程序和嵌入式驅(qū)動(dòng)程序的具體實(shí)現(xiàn)。最后通過實(shí)際采集正弦波信號(hào)進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性，并針對(duì)出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的改善措施。改善后的整個(gè)系統(tǒng)功耗低、可靠性高，傳輸速度能滿足實(shí)際的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；USB接口開發(fā)；嵌入式系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)；MAX197；PDIUSBD12

    數(shù)據(jù)采集任務(wù)多在戶外進(jìn)行，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常要滿足實(shí)時(shí)性、專用性、可靠性和低功耗等性能，這些特性在嵌入式系統(tǒng)中都能得到很好的體現(xiàn)，因此本文將以WindowsCE的嵌入式平臺(tái)來(lái)開發(fā)效據(jù)采集系統(tǒng)。但是由于嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)不易改變，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備擴(kuò)展時(shí)應(yīng)該選擇接口簡(jiǎn)單靈活、數(shù)據(jù)傳輸率高和支持熱拔插的傳輸總線，而USB接口則能很好地滿足這些要求，同時(shí)USB還有總線供電和不受插槽、中斷等硬件資源限制的特性，因此USB接口是數(shù)據(jù)采集設(shè)備與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。綜上所述，本文將設(shè)計(jì)一款基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以滿足實(shí)際的需要，下面將從硬件設(shè)計(jì)，程序?qū)崿F(xiàn)和實(shí)際測(cè)試3方面具體描述。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件結(jié)構(gòu)框架
    本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由控制中心、模數(shù)轉(zhuǎn)換和USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)3個(gè)部分組成，下面將針對(duì)這3個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。具體的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

    1)控制中心。本系統(tǒng)采用單片機(jī)提供地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線、選通信號(hào)(D12_CS和AD_CS)，讀寫信號(hào)(RD和WR)以及對(duì)中斷信號(hào)(D12_INT和AD_INT)進(jìn)行檢測(cè)。
    2)模數(shù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX197芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片具有采樣保持功能和12位的高精度輸出。單片機(jī)可向MAX197寫入其特定的命令從而選擇指定的通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MAX197向單片機(jī)輸出低電平的AD_INT信號(hào)，單片機(jī)采用輪詢方式檢測(cè)到后通過HBEN信號(hào)控制MAX197輸出低8位和高4位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
    3)USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用PDIUSBD12作為USB設(shè)備端的控制芯片，該芯片實(shí)現(xiàn)了USB1．1傳輸協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)要對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行讀寫均需通過信號(hào)D12_INT向單片機(jī)發(fā)送中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷后只需對(duì)PDIUSBD12的不同寄存器進(jìn)行讀寫操作就可以利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
1．2 固件程序設(shè)計(jì)
    硬件設(shè)備需要固件程序的控制以保證其正常運(yùn)行，本文所設(shè)計(jì)的固件程序主要用于識(shí)別USB設(shè)備以及采集與傳輸數(shù)據(jù)。固件程序的總體流程如圖2所示。

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    1)設(shè)備識(shí)別。USB設(shè)備的識(shí)別過程分別由操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分通過USB協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求來(lái)完成。操作系統(tǒng)在USB設(shè)備連接時(shí)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并分配通信地址，驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)后通過中斷讀取相關(guān)描述符進(jìn)行資源配置并使能傳輸端點(diǎn)，從而為應(yīng)用程序提供接口。
    2)數(shù)據(jù)采集與傳輸。通過單片機(jī)的定時(shí)器可對(duì)數(shù)據(jù)的采集頻率進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率為1 000 Hz，因此設(shè)置定時(shí)器每一毫秒中斷一次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而主機(jī)端對(duì)USB設(shè)備的讀寫操作則通過外部中斷實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于外部中斷以保證采集頻率固定為1 000 Hz。主機(jī)端通過寫操作向USB設(shè)備發(fā)送控制信息，包括設(shè)備啟動(dòng)和停止的相關(guān)初始化與清理的工作，其中在對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行讀操作前要先在端點(diǎn)的緩沖區(qū)填寫64字節(jié)數(shù)據(jù)并通過命令使其有效，不然主機(jī)端對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行讀操作時(shí)，無(wú)效的緩沖區(qū)將導(dǎo)致PDIUSBD12芯片不會(huì)產(chǎn)生中斷，從而導(dǎo)致讀操作失敗。

2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    Windows CE下的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型由3個(gè)層次組成，其中由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有兩層，它們分別是HCD模塊(USBHost Controller Driver)和USBD模塊(USB Bus Driver)，而第三層則被稱為USB客戶端驅(qū)動(dòng)(USB Client Driver)，由驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)。HCD模塊處于最底層，是CPU中USB控制器的驅(qū)動(dòng)，為USBD模塊提供底層的功能訪問服務(wù)。USBD模塊處于HCD模塊的上層，它根據(jù)HCD模塊提供的功能設(shè)計(jì)USB驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，并提供給第3層使用。USB客戶端驅(qū)動(dòng)處于USB驅(qū)動(dòng)模型的最頂層，也是本文所要設(shè)計(jì)的USB驅(qū)動(dòng)程序，它向上為應(yīng)用程序提供接口以方便對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行控制，向下利用USBD模塊提供的接口函數(shù)傳遞控制信息和數(shù)據(jù)。因此，要成功開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，在操作系統(tǒng)定制的時(shí)候就需要把HCD和USBD的相關(guān)組件添加進(jìn)去。
    本文開發(fā)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是流接口形式的驅(qū)動(dòng)程序，它被設(shè)計(jì)用來(lái)與通常的文件系統(tǒng)API(如CreateFile、ReadFile和WriteFile等)進(jìn)行通信，應(yīng)用程序通過對(duì)文件系統(tǒng)的操作來(lái)完成對(duì)設(shè)備的控制。本驅(qū)動(dòng)所設(shè)計(jì)的流接口如表1所示。

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3 系統(tǒng)測(cè)試
3．1 測(cè)試條件與結(jié)果
    本測(cè)試的目的在于檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否在采集頻率較高的情況下準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并通過USB接口完整地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，測(cè)試將基于以下5個(gè)條件進(jìn)行。其中一個(gè)通道的部分測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

    1)測(cè)試信號(hào)為正弦波，峰峰值約為12 V，頻率為100Hz。
    2)系統(tǒng)以1000Hz的采集頻率連續(xù)對(duì)8個(gè)通道進(jìn)行采集。
    3)單片機(jī)晶振頻率為12MHz。
    4)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置為128字節(jié)。
    5)采集數(shù)據(jù)記錄在SD卡中。
3．2 測(cè)試結(jié)果分析
    由3．1的正弦波采集測(cè)試結(jié)果圖可以得出如下兩點(diǎn)結(jié)論：
    1)采集的正弦波的峰峰值約為12 V，一個(gè)周期有10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)采集頻率1000Hz可知采集到的正弦波的頻率為100Hz。
    2)在30 ms的時(shí)候，正弦波發(fā)生畸變，可見采集數(shù)據(jù)在USB傳輸過程中發(fā)生丟失。
    第一點(diǎn)結(jié)論說明了本采集系統(tǒng)能準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而對(duì)于第二點(diǎn)結(jié)論所表現(xiàn)出的不完整性分析如下。
    1)設(shè)V1是有效數(shù)據(jù)的傳輸速度，V2是協(xié)議開銷的傳輸速度，N為采集數(shù)據(jù)的通道數(shù)目，M為每通道采集的字節(jié)數(shù)，H為采集頻率，K為緩沖區(qū)大小，U為傳輸?shù)膮f(xié)議開銷字節(jié)數(shù)。USB數(shù)據(jù)幀的組成包括有效數(shù)據(jù)和協(xié)議開銷兩個(gè)部分，其中傳輸協(xié)議的開銷包括同步字段、包標(biāo)識(shí)符、地址信息、端點(diǎn)信息和CRC校驗(yàn)，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的USB傳輸速度可根據(jù)公式(1)計(jì)算得到。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共有8個(gè)通道，每通道有2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，采集頻率為1 000 Hz，根據(jù)公式(2)可得有效數(shù)據(jù)的傳輸速度約為16 kB／s。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀的傳輸需要11個(gè)字節(jié)的協(xié)議開銷，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸過程分為4個(gè)步驟：發(fā)送傳輸請(qǐng)求，發(fā)送接收控制命令，接收請(qǐng)求應(yīng)答，開始接收數(shù)據(jù)，每個(gè)步驟均需傳輸一個(gè)完整的USB數(shù)據(jù)幀，因此進(jìn)行一次傳輸?shù)膮f(xié)議開銷為44個(gè)字節(jié)，根據(jù)公式(3)可計(jì)算出協(xié)議開銷的傳輸速度。以緩沖區(qū)的大小為橫坐標(biāo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的USB傳輸速度為縱坐標(biāo)繪出圖4所示的關(guān)系圖，分析該圖可得：緩沖區(qū)越大，所要求的USB傳輸速度越少。測(cè)試中較少的128字節(jié)緩沖區(qū)使得在一次傳輸中有效數(shù)據(jù)過少，約5．5 kB／s的額外開銷傳輸速度約占總速度的25％，過高的額外傳輸開銷導(dǎo)致數(shù)據(jù)來(lái)不及傳輸，從而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。
   
    2)另外，由于應(yīng)用程序要在SD卡這類低速設(shè)備上記錄數(shù)據(jù)，所以記錄數(shù)據(jù)的時(shí)候來(lái)不及獲取USB設(shè)備中的數(shù)據(jù)也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的傳輸速度變慢，導(dǎo)致新采集的數(shù)據(jù)溢出緩沖區(qū)并覆蓋來(lái)不及傳輸?shù)呐f數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)丟失。
    因此有必要采取一定的方法來(lái)改善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)采集的完整性。下面將提出3個(gè)解決方法。
3．3 系統(tǒng)改善措施
    1)增大晶振頻率到24MHz，加快單片機(jī)的處理速度。
    2)在硬件上增加靜態(tài)RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的存在一方面可以保證新采集的數(shù)據(jù)不會(huì)覆蓋沒來(lái)得及傳輸?shù)呐f數(shù)據(jù)，另一方面可以讓USB設(shè)備在一次USB數(shù)據(jù)幀的傳輸中所含有的有效數(shù)據(jù)更多，從而減少在傳輸過程中的校驗(yàn)、識(shí)別和握手等USB協(xié)議的額外開銷，加快傳輸速度。
    3)在應(yīng)用程序控制USB設(shè)備時(shí)將新建2條線程，一條進(jìn)程用于向USB設(shè)備進(jìn)行讀寫操作來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一條進(jìn)程用于向嵌入式系統(tǒng)的SD卡這類低速設(shè)備進(jìn)行讀寫操作來(lái)記錄數(shù)據(jù)，利用操作系統(tǒng)分時(shí)復(fù)用的特性減少數(shù)據(jù)記錄過程對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成的延誤，從而加快USB設(shè)備的傳輸速度。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文從硬件結(jié)構(gòu)、固件程序和驅(qū)動(dòng)程序3個(gè)方面對(duì)基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后還通過實(shí)際采集正弦波信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并提出了3個(gè)方法有效地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸速度。本系統(tǒng)能在擁有USB接口的嵌入式設(shè)備上方便地進(jìn)行連接和安裝，是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的一個(gè)重要部分。