基于USB接口的數(shù)據采集系統(tǒng)設計

摘要：以自行開發(fā)的基于USB接口的數(shù)據采集系統(tǒng)為例，介紹了USB接口的硬件和軟件開發(fā)過程。
　　關鍵詞：USB數(shù)據采集 PDIUSBD12
　　
　�。保眨樱聟f(xié)議和芯片選擇
　　
　　理解好ＵＳＢ協(xié)議是ＵＳＢ系統(tǒng)開發(fā)的第一步。ＵＳＢ協(xié)議版本包括１.０、１.1和２.０，ＵＳＢＯＴＧ是對２.０版本協(xié)議的補充。雖然ＵＳＢ協(xié)議內容繁多且復雜，然而，對ＵＳＢ開發(fā)影響較大的卻只是少數(shù)部分，以下對協(xié)議版本１.１[１]中這些部分進行介紹。
　　
　�。�.１ＵＳＢ協(xié)議
　　
　　一般，每個ＵＳＢ設備由一個或多個配置（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）控制其行為。使用多配置原因是對操作系統(tǒng)的支持；一個配置由接口（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）組成；接口則是由管道（Ｐｉｐｅ）組成；管道與ＵＳＢ設備的端點（Ｅｎｄｐｏｉｎｔ）對應，一個端點可以配置為輸入輸出兩個管道。在固件編程中，ＵＳＢ設備、配置、接口和管道都用描述符報告其屬性。
　　
　　圖１為ＵＳＢ多層次通信模型。端點０默認配置為控制管道，用來完成所規(guī)定的設備請求(ＵＳＢ協(xié)議第九章)。其它端點可配置為數(shù)據管道。對開發(fā)而言，主要的大數(shù)據傳輸都是通過數(shù)據管道完成的[２]。
　　
　�。眨樱聜鬏旑愋桶�括批量傳輸、等時傳輸、中斷傳輸和控制傳輸，每種傳輸類型的傳輸速度、可靠性以及應用范圍都不同[３]�？刂苽鬏斂煽啃允亲罡叩�，但速度最慢；等時傳輸速度快，滿足實時性，但可靠性低。在具體應用中，端點傳輸類型可根據傳輸速度和可靠性選擇。
　　
　　在ＵＳＢ通信協(xié)議中，主機取得絕對主動權利，設備只能是“聽命令行事”，通過一定的命令格式（設備請求）完成通信。ＵＳＢ設備請求包括標準請求、廠商請求和設備類請求。設備的枚舉是標準請求命令完成的；廠商請求是用戶定義的請求；設備類請求是特定的ＵＳＢ設備類發(fā)出的請求，例如海量儲存類、打印機類和ＨＩＤ（人機接口）類。固件編程中設備請求必須遵循一定的格式，包括請求類型、設備請求、值、索引和長度。
　　
　�。保�２ＵＳＢ接口芯片選擇
　　
　　ＵＳＢ接口芯片的類型有：
　　
　�。ǎ保┌磦鬏斔俣鹊母叩停旱退伲ǎ保�５Ｍｂｐｓ）和全速(１２Ｍｂｐｓ)可選ＵＳＢ１．１接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列；高速（４８０Ｍｂｐｓ）可選ＵＳＢ２．０接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１５８１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３。
　　
　�。ǎ玻┦欠駧В停茫眨ㄎ⒖刂破鳎�：一般Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的都不帶ＭＣＵ，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司大多都帶，例如ＡＮ２１３１。
　　
　�。ǎ常┦欠駧е骺仄鞴δ埽翰恍枰�主機參與，主從設備間可進行數(shù)據傳輸，芯片有Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１３０１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＳＬ８１１ＨＳ等。
　　
　　還有專門用途ＵＳＢ芯片，例如閃存專用芯片ＩＣ１１１４。工程中用戶可根據自己的需求選擇一款性價比高的芯片。另外可用開發(fā)資源也是要考慮的重要方面，例如開發(fā)板和芯片廠商提供的網上資源，可大大降低開發(fā)的難度。
　　
　�。不�于ＵＳＢ接口的數(shù)據采集系統(tǒng)的設計
　　
　�。�.１系統(tǒng)簡介
　　
　　該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)１６路溫度數(shù)據自動采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖２所示。主要包括８個組成部分：中央處理器選用ＡＴ８９Ｃ５２芯片，完成各部分控制功能和ＵＳＢ傳輸協(xié)議；實時時鐘記錄當前測量溫度的時間；溫度傳感器和接口電路主要完成溫度采集，并讀入ＭＣＵ處理；復位電路完成對ＭＣＵ的上電復位和電源電壓監(jiān)視；看門狗電路用來監(jiān)視ＭＣＵ是否工作；存儲電路主要存儲采集到的溫度數(shù)據以及采集的實時時間；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設與主機間的通信電路采用ＵＳＢ接口。
　　
　�。�.２接口芯片選擇
　　
　　接口電路采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２[４]（以下簡稱為Ｄ１２）芯片。主要因為Ｄ１２芯片信息、開發(fā)資源豐富，具有較高的性價比。
　　
　�。模保残酒�的主要特點包括：
　　
　　·符合ＵＳＢ１．１版本規(guī)范；
　　
　　·可與任何外部微控制器／微處理器實現(xiàn)高速并行接口(２ＭＢ／ｓ)；
　　
　　·采用ＧｏｏｄＬｉｎｋ技術的連接指示器，在通信時使ＬＥＤ閃爍；
　　
　　
　　
　　
　　·主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據傳輸；
　　
　　·在批量和等時模式下均可實現(xiàn)１ＭＢ／ｓ的數(shù)據傳輸率；
　　
　　·完全自治的直接內存存�。模停敛僮鳌�
　　
　�。玻�３接口硬件設計
　　
　　由Ｄ１２接口組成的通信電路原理如圖３所示。關于Ｄ１２的各引腳說明見參考文獻[４]。多路地址／數(shù)據總線ＡＬＥ接單片機的ＡＬＥ腳，這樣使用ＭＯＶＸ指令可以與Ｄ１２接口，對Ｄ１２操作就象對ＲＡＭ操作一樣，此時忽略Ａ０（命令口和數(shù)據口地址線）的輸入。因為沒有使用ＤＭＡ傳輸方式，所以沒有用到ＤＭＡＣＫ＿Ｎ、ＥＯＴ＿Ｎ和ＤＭＲＥＱ＿ＮＤＭＡ引腳。ＩＮＴ＿Ｎ是ＵＳＢ中斷請求腳，發(fā)出ＵＳＢ中斷請求；ＧＬ＿Ｎ是ＧｏｏｄＬｉｎｋ指示燈，在調試過程中非常有用，在通信時會不停閃爍。如果一直亮或者一直暗，表示ＵＳＢ接口有問題，如果Ｄ１２掛起，則ＬＥＤ關閉。ＣＬＫＯＵＴ是Ｄ１２的時鐘輸出，可以通過固件編程改變其頻率，在調試固件時，可作為參考。
　　
　�。玻�４接口程序設計
　　
　�。眨樱陆涌诔绦蛟O計是ＵＳＢ開發(fā)的核心。ＵＳＢ接口程序設計包括三部分：單片機程序開發(fā)、ＵＳＢ設備驅動程序開發(fā)、主機應用程序開發(fā)。三者互相配合，才能完成可靠、快速的數(shù)據傳輸。
　　
　�。玻�４．１單片機程序設計
　　
　　單片機程序（又稱固件）采用模塊化程序設計，主要模塊包括：數(shù)據采集模塊、數(shù)據處理、監(jiān)控模塊和數(shù)據通信模塊。模塊化設計的優(yōu)點是可靠性高、可讀性好、升級簡單。
　　
　　通信模塊固件結構如圖４所示。主循環(huán)和中斷服務程序之間的數(shù)據交換可通過事件標志和數(shù)據緩沖實現(xiàn)。圖３中ＵＳＢ中斷引腳ＩＮＴ＿Ｎ發(fā)出中斷請求，中斷服務程序根據中斷請求類型操作，設置事件和填充數(shù)據緩沖區(qū)再傳輸給主循環(huán)；標準設備請求程序是對標準請求進行處理；用戶可以根據實際需要編寫廠商請求，例如發(fā)出啟動或停止數(shù)據采集命令。
　　
　　圖3USB接口連接示意圖
　　
　�。玻�４．２驅動程序設計
　　
　　驅動開發(fā)工具有ＤＤＫ和第三方開發(fā)工具。其中ＤＤＫ開發(fā)難度最大，第三方開發(fā)工具有ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ和Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ等。ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ難度適中，而Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ則屬于應用層驅動開發(fā)，難度小，但效率低，并存在發(fā)布問題。
　　
　�。模模蓑寗映绦蜷_發(fā)工作包括：開發(fā)環(huán)境設置（ＶＣ編譯環(huán)境）[５]、驅動程序設計[６]、安裝文件（ＩＮＦ文件）設計。
　　
　　驅動程序設計采用ＷＤＭ（ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅＭｏｄｅ）。ＷＤＭ設備驅動程序提供了一個參考框架，大大降低了由ＤＤＫ書寫驅動程序帶來的難度。
　　
　�。模保豺寗邮褂玫睦�程包括：ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ、ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ、ＤｉｓｐａｔｃｈＰｎｐ、ＤｉｓｐａｔｃｈＲｅａｄ、ＤｉｓｐａｔｃｈＷｒｉｔｅ和ＤｉｓｐａｔｃｈＤｅｖｉｃｅＣｏｎｔｒｏｌ例程，以下是Ｄ１２的ＷＤＭ驅動程序函數(shù)：
　　
　　ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ]＝Ｄ１２＿Ｃｒｅａｔｅ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＬＯＳＥ]＝Ｄ１２＿Ｃｌｏｓｅ;
　　
　　ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＤｒｉｖｅｒＵｎｌｏａｄ＝Ｄ１２＿Ｕｎｌｏａｄ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ;
　　
　�。剑模保玻撸校颍铮悖澹螅螅桑希茫裕�;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＷＲＩＴＥ]＝Ｄ１２＿Ｗｒｉｔｅ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ]＝Ｄ１２＿Ｒｅａｄ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＳＹＳＴＥＭ＿ＣＯＮＴＲＯＬ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＰＮＰ]＝Ｄ１２＿Ｄｉｓｐａｔｃｈ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＰＯＷＥＲ]＝Ｄ１２＿Ｐｒｏｃｅｓｓ－ＰｏｗｅｒＩｒｐ;
　　
　�。模颍椋觯澹颍希猓辏澹悖簦�＞ＤｒｉｖｅｒＥｘｔｅｎｓｉｏｎ－＞ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ＝Ｄ１２＿ＰｎＰＡｄｄＤｅｖｉｃｅ;
　　
　　驅動程序與應用程序和硬件之間通信都是ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ請求包）完成的。ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＰＮＰ主要是實現(xiàn)ＵＳＢ即插即用，例如設備的添加、刪除和資源的分配；ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＰＯＷＥＲ實現(xiàn)電源管理，例如設備的掛起和喚醒；ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ(創(chuàng)建)、ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＬＯＳＥ(關閉)、ＩＲＰ＿ＭＪ＿
　　
　�。模牛郑桑茫牛撸茫希危裕遥希蹋ㄔO備控制）、ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＷＲＩＴＥ（讀）和ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ?穴寫?雪是主要完成數(shù)據通信的函數(shù)，實現(xiàn)管道的創(chuàng)建、關閉
　　
　　
　　
　　和數(shù)據讀寫。其中設備控制具有輸入輸出緩沖區(qū)，可實現(xiàn)讀和寫功能；ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ和ＤｒｉｖｅｒＵｎｌｏａｄ實現(xiàn)設備管理，在設備添加和卸載時，創(chuàng)建和刪除設備，以及管理資源分配。
　　
　　驅動程序通過安裝文件（．ｉｎｆ文件）中ＰＩＤ(產品識別號)和ＶＩＤ（廠商識別號）識別ＵＳＢ設備。
　　
　　２．４．３應用程序設計
　　
　　主機應用程序的編寫使用ＶＣ編譯環(huán)境中的ＡＰＩ函數(shù)實現(xiàn)。
　　
　　應用程序的編程方法與串口編程類似。首先必須查找設備，打開設備的句柄；然后進行讀寫和控制操作；最后是關閉設備句柄。為了提高效率，可使用多線程技術實現(xiàn)讀寫。
　　
　　應用程序通過ＧＵＩＤ(注冊表驅動唯一識別號)查找驅動程序。
　　
　�。玻�５調試
　　
　　首先是固件調試，可用仿真機完成，驅動開發(fā)工具Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ也是很好的固件調試工具，例如測試標準請求、廠商請求和管道讀寫。其次是驅動調試，這是ＵＳＢ接口開發(fā)最困難的部分，調試工具可用ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ中Ｓｏｆｔｉｃｅ工具和文獻[６]中ＤｅｂｕｇＰｒｉｎｔ跟蹤工具，監(jiān)視工具ＢｕｓＨｏｕｎｄ可監(jiān)視ＵＳＢ的實際數(shù)據傳輸情況。需要注意的是，驅動調試必須在應用程序正確調用的前提下。
　　
　　２．６ＵＳＢ傳輸速度
　　
　　主機每過１ｍｓ發(fā)出一個ＳＯＦ（起始幀），四種ＵＳＢ傳輸類型都分布在１ｍｓ的幀內。所以為了提高傳輸速度，可加大端點緩沖區(qū)的大小和使用雙緩沖（有些芯片還有四緩沖），在１ｍｓ內盡量多傳輸數(shù)據；采用ＤＭＡ傳輸方式，ＵＳＢ設備不通過微控制器直接完成數(shù)據傳輸，當然相應硬件和軟件開發(fā)的難度增加；如果單片機數(shù)據加載速度較慢，則可考慮使用高速指令的單片機；如果速度要求在１ＭＢ／ｓ以上，則考慮采用ＵＳＢ２．０接口芯片。
　　
　　本文以ＵＳＢ接口程序在１６路溫度采集系統(tǒng)中的應用為例，介紹了ＵＳＢ的接口標準和程序設計。該系統(tǒng)經過一段時間運行，穩(wěn)定可靠，目前已廣泛應用于航空電子設備的測溫系統(tǒng)。
　　

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