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基于USB總線的實時數據采集系統設計與實現
摘要：介紹了基于ＵＳＢ總線的實時數據采集系統的ＵＳＢ設備固件程序、驅動程序、應用程序的設計與具體實現。關鍵詞：通用串行總線 實時數據采集 設備固件 驅動程序
在現代工業生產和科學技術研究的各行業中，通常需要對各種數據進行采集。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?熏易受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，(范文先生網m.baimashangsha.com收集整理)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?熏單片機控制采集，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 ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片
ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種專用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下簡稱Ｄ１２）。該芯片完全符合ＵＳＢ１．１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ＵＳＢ１.１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ＵＳＢ１.１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。
圖3 PDIUSBD12與89C51的具體實現電路
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入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設備接入時，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ＩＲＰ＿ＭＮ＿ＳＴＡＲＴ＿ＤＥＶＩＣＥ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／Ｏ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／Ｏ請求時調用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ函數ＤｅｖｉｃｅＴｏＣｏｎｔｒｏｌ向設備發出命令；然后由Ｉ／Ｏ管理器構造一個ＩＲＰ并設置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ域為ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ。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ＵＳＢ１．１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）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。
（３）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。
（４）性價比高，遠優于傳統的實時數據采集系統。
（５）實時采集，實時顯示
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