基于USB总线的实时数据采集系统设计与实现

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摘要：介绍了基于ＵＳＢ总线的实时数据采集系统的ＵＳＢ设备固件程序、驱动程序、应用程序的设计与具体实现。

    关键词：通用串行总线 实时数据采集 设备固件 驱动程序

在现代工业生产和科学技术研究的各行业中，通常需要对各种数据进行采集。目前通用的通过数据采集板卡采集的方法存在着以下缺点：安装麻烦，易受机箱内环境的干扰而导致采集数据的失真?熏易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>可扩展性差。而通用串行总线ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）的出现，很好地解决了上述问题，很容易实现便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系统的发展趋势。

１ 系统硬件设计与实现

１．１ 硬件总体结构

基于ＵＳＢ总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、Ａ／Ｄ转换器、单片机、ＵＳＢ接口芯片，其硬件总体结构如图１所示。多路模拟信号经过模拟开关传到Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号?熏单片机控制采集，ＵＳＢ接口芯片存储采集到的数据并将其上传至ＰＣ，同时也接收ＰＣ机ＵＳＢ控制器的控制信息。

１．２ ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片

ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一种专用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下简称Ｄ１２）。该芯片完全符合ＵＳＢ１．１规范，集成了ＳＩＥ、３２０Ｂ的多配置ＦＩＦＯ存储器、收发器、电压调整器、ＳｏｆｔＣｏｎｎｅｃｔ、ＧｏｏｄＬｉｎｋ、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等，支持双电压工作、完全自动ＤＭＡ 操作、多中断模式，内部结构如图２所示。

单片机通过８位并行接口传送经过Ａ／Ｄ转换的采集数据，存储在ＦＩＦＯ存储器中。一旦存满，串行接口引擎ＳＩＥ立刻对数据进行处理，包括同步模式识别、并／串转换、位填充／不填充、ＣＲＣ校验、ＰＩＤ确认、地址识别以及握手鉴定，处理完毕后数据由模拟收／发器通过Ｄ＋、Ｄ－发送至ＰＣ。上述过程遵循ＵＳＢ１.１协议。Ｄ１２与８９Ｃ５１的具体实现电路如图３所示。

２ 系统软件设计与实现

系统软件包括ＵＳＢ设备固件编程、驱动程序和应用程序。其中设备固件是整个系统的核心，它控制芯片Ｄ１２采集数据、接收并处理ＵＳＢ驱动程序的请求和应用程序的控制指令。
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    ２．１ ＵＳＢ设备固件程序设计与实现

设备固件是设备运行的核心，用Ｃ语言设计。其主要功能是控制Ａ／Ｄ模块的数据采集；接收并处理驱动程序的请求，如请求描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等ＵＳＢ１.１标准请求；控制芯片Ｄ１２接收应用程序的控制指令等。其程序主框图如图４所示。单片机检测到Ｄ１２后进入主循环。此时ＰＣ机先发令牌包给Ｄ１２，Ｄ１２接收到令牌包后给单片机发中断，单片机据中断类型设定标志位Ｓｔａｔｕｓ；最后执行相应标志位的中断服务程序。单片机通过Ａ／Ｄ模块的中断入口控制Ａ／Ｄ模块的数据采集。

２．２ 驱动程序设计与实现

ＵＳＢ系统驱动程序采用分层结构模型：较高级的ＵＳＢ设备驱动程序和较低级的ＵＳＢ函数层。其中ＵＳＢ函数层由通用串行总线驱动程序模块（ＵＳＢＤ）和主控制器驱动程序模块（ＨＣＤ）组成。

图3 PDIUSBD12与89C51的具体实现电路

    为使驱动程序具有通用性，也为简化应用程序的开发，编写了供应用程序调用的动态链接库。这样应用程序只需调用此库提供的接口函数即可完成对ＵＳＢ设备的操作。ＵＳＢ函数层（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供，负责管理ＵＳＢ设备驱动程序与ＵＳＢ控制器之间的通信、加载及卸载ＵＳＢ驱动程序等。目前Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供的多种ＵＳＢ设备驱动程序并不针对实时数据采集设备，因此采用ＤＤＫ开发工具设计专用的设备驱动程序。其由四个模块组成：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及Ｉ／Ｏ功能实现模块。

初始化模块提供一个ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口点执行一系列的初始化过程。

即插即用管理模块实现ＵＳＢ设备的热插拔及动态配置。当Ｗｉｎｄｏｗｓ９８检测到ＵＳＢ设备接入时，查找相应的驱动程序，并调用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程，ＰｎＰ管理器调用驱动程序的ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ例程，告诉它添加了一个设备；然后驱动程序为ＵＳＢ设备建立一个功能设备对象。在此过程中，驱动程序收到一个ＩＲＰ＿ＭＮ＿ＳＴＡＲＴ＿ＤＥＶＩＣＥ的ＩＲＰ，包括设备分配的资源信息。至此，设备被正确配置，驱动程序开始与硬件进行对话。电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。

Ｉ／Ｏ功能实现模块完成Ｉ／Ｏ请求的大部分工作。当动态链接库提出Ｉ／Ｏ请求时调用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ函数ＤｅｖｉｃｅＴｏＣｏｎｔｒｏｌ向设备发出命令；然后由Ｉ／Ｏ管理器构造一个ＩＲＰ并设置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ域为ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ。ＵＳＢ设备驱动程序收到该ＩＲＰ后取出其中的控制码，并利用一个开关语句找到对应的例程入口。
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    ２．３ 应用程序设计与实现

应用程序采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ６．０编写。由于其只需调用动态链接库，故开发较简单。主要功能包括检测ＵＳＢ设备、开启／关闭ＵＳＢ设备、设置Ａ／Ｄ状态和数据采集端口、显示并分析实时采集的数据。主框图如图５所示。

由于Ｄ１２的端点１的ＦＩＦＯ为１６字节，端点２的ＦＩＦＯ为６４字节，当缓冲区存满后自动将数据打包，由ＳＩＥ自动发送数据包。程序获得数据包后需延迟至下组数据包准备完毕，从而保证程序与数据采集同步。另外程序还发出停止采集和关闭ＵＳＢ设备的命令。
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３ 系统特点

基于ＵＳＢ总线的实时数据采集系统严格遵循ＵＳＢ１．１协议，有以下特点：

（１）易于扩展。最长传输距离５ｍ，采用ＵＳＢＨｕｂ可达３０ｍ；最多可同时接１２７个设备。

（２）电磁干扰影响极小。本系统放置在计算机外部，不受板卡间的电磁干扰影响；若在电磁干扰极强的环境下工作，需专门为其设计电磁屏蔽方案。

（３）安装方便，支持即插即用。克服了以往数据采集板卡需要打开机箱的麻烦。

（４）性价比高，远优于传统的实时数据采集系统。

（５）实时采集，实时显示