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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)
摘要：介紹了基于ＵＳＢ總線的實(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)用程序的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：通用串行總線 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 設(shè)備固件 驅(qū)動(dòng)程序
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?熏易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)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(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)?熏單片機(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 ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片
ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種專用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下簡(jiǎn)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(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(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(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(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。
圖3 PDIUSBD12與89C51的具體實(shí)現(xiàn)電路
為使驅(qū)動(dòng)程序具有通用性，也為簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的開發(fā)，編寫了供應(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入口點(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(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)椋眨樱略O(shè)備建立一個(gè)功能設(shè)備對(duì)象。在此過程中，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)程序開始與硬件進(jìn)行對(duì)話。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)椋桑遥校撸停剩撸模牛郑桑茫牛撸茫希危裕遥希�。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(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。由于其只需調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，故開發(fā)較簡(jiǎn)單。主要功能包括檢測(cè)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，需專門為其設(shè)計(jì)電磁屏蔽方案。
（３）安裝方便，支持即插即用。克服了以往數(shù)據(jù)采集板卡需要打開機(jī)箱的麻煩。
（４）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)。
（５）實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)顯示
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