探析基于USB總線的實時數據采集系統設計與實現

　　目前通用的通過數據采集板卡采集的方法存在著以下缺點：安裝麻煩，易受機箱內環境的干擾而導致采集數據的失真，易受計算機插槽數量和地址、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，很好地解決了上述問題，很容易實現便捷、低成本、易擴展、高可靠性的數據采集，代表了現代數據采集系統的發展趨勢。
　　1系統硬件設計與實現
　　1．1硬件總體結構
　　基于USB總線的實時數據采集系統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。多路模擬信號經過模擬開關傳到A／D轉換器轉換為數字信號，單片機控制采集，USB接口芯片存儲采集到的數據并將其上傳至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規范，集成了SIE、 320B的多配置FIFO存儲器、收發器、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位并行接口傳送經過A／D轉換的采集數據，存儲在FIFO存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎SIE立刻對數據進行處理，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，處理完畢后數據由模擬收／發器通過D+、D-發送至PC。上述過程遵循 USBl．1協議。D12與89C51的具體實現電路如圖3所示。
　　2系統軟件設計與實現
　　系統軟件包括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的核心，它控制芯片D12采集數據、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
　　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模塊的數據采集；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、請求設備設置、請求或設置設備接口等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。此時PC機先發令牌包給D12，D12接收到令牌包后給單片機發中斷，單片機據中斷類型設定標志位Status，最后執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模塊的數據采集。
　　2．2驅動程序設計與實現
　　USB系統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函數層。其中USB函數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。
　　為使驅動程序具有通用性，也為簡化應用程序的開發，編寫了供應用程序調用的動態鏈接庫。這樣應用程序只需調用此庫提供的接口函數即可完成對USB設備的操作。USB函數層(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據采集設備，因此采用DDK開發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功能實現模塊。
　　初始化模塊提供一個DriverEntry人口點執行一系列的初始化過程。
　　即插即用管理模塊實現USB設備的熱插拔及動態配置。當Windows98檢測到USB設備接人時，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IRlMN-STARIDEVICE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／0功能實現模塊完成I／O請求的大部分工作。當動態鏈接庫提出I／0請求時調用Win32API函數DeviceToControl向設備發出命令；然后由I／0管理器構造一個IRP并設置其MajorFunction域為IRP_MJ_DEVICE_CON-TROL。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
　　應用程序采用Visual Basic6．0編寫。由于其只需調用動態鏈接庫，故開發較簡單。主要功能包括檢測USB設備、開啟／關閉USB設備、設置A／D狀態和數據采集端口、顯示并分析實時采集的數據。主框圖如圖5所示。
　　由于D12的端點1的FIFO為16字節，端點2的FIFO為64字節，當緩沖區存滿后自動將數據打包，由SIE自動發送數據包。程序獲得數據包后需延遲至下組數據包準備完畢，從而保證程序與數據采集同步。另外程序還發出停止采集和關閉USB設備的命令。
　　3系統特點
　　基于USB總線的實時數據采集系統嚴格遵循USBl．1協議，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個設備。
　　(2)性價比高，遠優于傳統的實時數據采集系統。
　　(3)實時采集，實時顯示。
　　（4）電磁干擾影響極小。本系統放置在計算機外部，不受板卡間的電磁干擾影響；若在電磁干擾極強的環境下工作，需專門為其設計電磁屏蔽方案。
　　(5)安裝方便，支持即插即用。克服了以往數據采集板卡需要打開機箱的麻煩。

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