探析基于USB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源：龍人計(jì)算機(jī)研究所 作者：站長 時(shí)間：2009-09-17 10:52:05
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(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USB(Universal Serial Bus)的出現(xiàn)，很好地解決了上述問題，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。
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總線的實(shí)時(shí)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(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)過模擬開關(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。
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(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。
單片機(jī)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(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中。一旦存滿，串行接口引擎SIE立刻對數(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(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
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(biāo)準(zhǔn)請求；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(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，也為簡化應(yīng)用程序的開發(fā)，編寫了供應(yīng)用程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫。這樣應(yīng)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(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)程序并不針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此采用DDK開發(fā)工具設(shè)計(jì)專用的設(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功能實(shí)現(xiàn)模塊。
初始化模塊提供一個(gè)DriverEntry人口點(diǎn)執(zhí)行一系列的初始化過程。
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檢測到USB設(shè)備接人時(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)備對象。在此過程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)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(dòng)程序開始與硬件進(jìn)行對話。電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。 I／0功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I／O請求的大部分工作。當(dāng)動(dòng)態(tài)鏈接庫提出I／0請求時(shí)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(gè)IRP并設(shè)置其MajorFunction域?yàn)镮RP_MJ_DEVICE_CON-TROL。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)開關(guān)語句找到對應(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。由于其只需調(diào)用動(dòng)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(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。主框圖如圖5所示。
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總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嚴(yán)格遵循USBl．1協(xié)議，有以下特點(diǎn)：
(1)易于擴(kuò)展。最長傳輸距離5m，采用USBHub可達(dá)30m；最多可同時(shí)接127個(gè)設(shè)備。
(2)性價(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)。
(3)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)顯示。
�。�4）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，需專門為其設(shè)計(jì)電磁屏蔽方案。
(5)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(jī)箱的麻煩。
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總線的實(shí)時(shí)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(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)過模擬開關(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。
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(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。
單片機(jī)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(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中。一旦存滿，串行接口引擎SIE立刻對數(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(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
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(biāo)準(zhǔn)請求；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(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，也為簡化應(yīng)用程序的開發(fā)，編寫了供應(yīng)用程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫。這樣應(yīng)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(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)程序并不針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此采用DDK開發(fā)工具設(shè)計(jì)專用的設(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功能實(shí)現(xiàn)模塊。
初始化模塊提供一個(gè)DriverEntry人口點(diǎn)執(zhí)行一系列的初始化過程。
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檢測到USB設(shè)備接人時(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)備對象。在此過程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)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(dòng)程序開始與硬件進(jìn)行對話。電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。 I／0功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I／O請求的大部分工作。當(dāng)動(dòng)態(tài)鏈接庫提出I／0請求時(shí)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(gè)IRP并設(shè)置其MajorFunction域?yàn)镮RP_MJ_DEVICE_CON-TROL。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)開關(guān)語句找到對應(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。由于其只需調(diào)用動(dòng)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(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。主框圖如圖5所示。
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總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嚴(yán)格遵循USBl．1協(xié)議，有以下特點(diǎn)：
(1)易于擴(kuò)展。最長傳輸距離5m，采用USBHub可達(dá)30m；最多可同時(shí)接127個(gè)設(shè)備。
(2)性價(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)。
(3)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)顯示。
�。�4）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，需專門為其設(shè)計(jì)電磁屏蔽方案。
(5)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(jī)箱的麻煩。
