摘 要：本文提出了一種基于USB總線傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)應(yīng)用CH372USB控制器與SPCE061A單片機(jī)完成設(shè)備與主機(jī)的通信。文中介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想及層次結(jié)構(gòu),并介紹了固件程序,設(shè)備功能驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)應(yīng)用CH372內(nèi)置固件模式屏蔽了相關(guān)USB協(xié)議,并使用SPCE061A自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制,使得硬件電路十分簡單, 可以廣泛的應(yīng)用與對各種數(shù)據(jù)的采集。 關(guān)鍵詞：USB總線 ; 數(shù)據(jù)采集 ; CH372 0 .引言： 　　在現(xiàn)代科學(xué)研究中,經(jīng)常要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。目前比較通用的是在PC內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡（如A/D卡及422、485卡）,但是這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備由于安裝麻煩、價格昂貴、受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差，以及無法做電磁屏蔽而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。隨著客戶對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度要求的不斷提高,USB以其使用方便、易于擴(kuò)展、速度快等優(yōu)點(diǎn)而越來越多的應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。 　　USB （Universal Serial Bus，通用串行總線）作為一種新的外設(shè)連接技術(shù)，可以簡化計(jì)算機(jī)與外設(shè)的連接過程，提高低速和高速的兼容，為用戶提供一種可共享的，可擴(kuò)充的使用方便的串行總線。 1. USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及工作原理 　　一個實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器，DIO ,微控制器,USB控制芯片以及PC機(jī)端的應(yīng)用程序。外部的被測信號經(jīng)過傳感器變換為模擬電壓信號，經(jīng)屏蔽電纜傳入A/D轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在主機(jī)端，當(dāng)外圍USB設(shè)備接入系統(tǒng)，經(jīng)過總線枚舉被檢測、配置可用后，主機(jī)端的應(yīng)用程序就可以控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。微控制器根據(jù)所需的采樣速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集來的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，再通過USB接口控制芯片，將根據(jù)USB總線傳輸協(xié)議打包的數(shù)據(jù)放到USB總線傳給主機(jī)，由主機(jī)端的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析處理。 2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　USB總線接口控制器是USB設(shè)備與主機(jī)通信的重要器件。目前，市場上的USB控制器有很多種，大致可分為兩種，一種是帶USB接口的單片機(jī)，如cypress的cy系列;另一種是僅處理USB通信的，必須有一個外部微控制器來進(jìn)行協(xié)議處理的純粹USB控制器。根據(jù)USB控制器的分類，要實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與主機(jī)的通信就有兩種方法（1）帶微處理器的USB控制器（2）獨(dú)立的USB控制器加微處理器。 　　本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的功能，采用帶7通道10位精度A/D轉(zhuǎn)換器的SPCE061A單片機(jī)和CH372的USB控制芯片組成外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信。 　　2.1 CH372控制器的主要特點(diǎn)： 　　（1） 支持全速設(shè)備接口，兼容USB2.0規(guī)范，即插即用，外圍元器件只需要晶體和電容。 　?。?） 提供一對主端點(diǎn)和一對輔助端點(diǎn)，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。 　　（3） 具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便的掛接到單片機(jī)/DSP/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。 　?。?） 內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372自動處理默認(rèn)端點(diǎn)0的所有事務(wù)，自動完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過程，本地端單片機(jī)只要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，所以單片機(jī)程序非常簡潔[1]。 　　2.2 SPCE061A的主要性能特點(diǎn) 　　SPCE061A擁有16位的微處理器核心,CPU工作時鐘頻率0.32—49.152MHz,2個10位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換輸出通道,7個10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入通道,具有較高的處理速度,能夠更容易,更快速的處理復(fù)雜的數(shù)字信號.[2] 　　根據(jù)功能模塊的集成和CH372內(nèi)置固件模式的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的硬件電路十分簡單。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件連接示意圖[/align] 　　模擬信號經(jīng)外部的放大由IOA[6:0]輸入，CH372芯片的讀選通輸出RD#和寫選通輸出WR#連接到單片機(jī)。CS#由地址譯碼電路驅(qū)動，可用于當(dāng)單片機(jī)具有多個外圍器件時進(jìn)行設(shè)備選擇,在本系統(tǒng)中要求CS#常為低電平,所以直接接地。INT#輸出的中斷請求是低電平有效，單片機(jī)可以使用中斷方式或者查詢方式獲知中斷請求。 　　當(dāng)WR#為高電平并且CS#和RD#及A0 都為低電平時，CH372 中的數(shù)據(jù)通過D7～D0輸出;當(dāng)RD#為高電平并且CS#和WR#及A0 都為低電平時，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫入CH372 芯片中;當(dāng)RD#為高電平并且CS#和WR#都為低電平而A1 為高電平時，D7～D0 上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入CH372芯片中[1]。 3.軟件設(shè)計(jì) 　　USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分包括三個方面：單片機(jī)中的固件程序，設(shè)備驅(qū)動程序，和主機(jī)上的應(yīng)用程序。 　　3.1 固件程序是與USB控制器相連的單片機(jī)執(zhí)行的代碼，主要負(fù)責(zé)兩項(xiàng)任務(wù)。 　?。?） 響應(yīng)主機(jī)對設(shè)備的枚舉實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的配置，也就是使主機(jī)檢測并識別設(shè)備，為主機(jī)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備。 　?。?） 根據(jù)PC機(jī)上的應(yīng)用程序的要求，傳輸數(shù)據(jù)。 　　由于本系統(tǒng)使用的CH372USB控制器內(nèi)置固件模式屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議，自動完成主機(jī)的USB枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器做任何處理，所以固件程序只需要實(shí)現(xiàn)涉及對采集數(shù)據(jù)的傳輸、采集參數(shù)設(shè)置的要求即可。 　　SPCE061A共有7個A/D轉(zhuǎn)換通道,但只有一個ADC,在使用前必須查看P_ADC_MUX_Ctrl單元/P_ADC_Ctrl單元的RDY的值,以確定ADC為空閑狀態(tài),通過設(shè)置P_ADC_MUX_Ctrl的第2-3位來實(shí)現(xiàn)通道切換,而且SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換只能通過讀取P_ADC_LINEIN_Data單元的數(shù)據(jù)來觸發(fā)[2]。數(shù)據(jù)采集依靠讀P_ADC_LINEIN_Data單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。由于USB的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)采集的速度,所以在SPCE061A內(nèi)部RAM中定義雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū),利用緩沖區(qū)buf[0]做為緩沖區(qū)滿標(biāo)志位和讀指針p來確定讀數(shù)據(jù)順序,實(shí)現(xiàn)輪流從兩個緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng) buf_i[0]==1&&p==buf_i時,表示i緩沖區(qū)滿且讀數(shù)據(jù)順序正確,則從此緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送完后,改變緩沖區(qū)滿標(biāo)志并設(shè)置讀指針,繼續(xù)讀下一個緩沖區(qū)。為使前一次的數(shù)據(jù)傳輸與后一次的數(shù)據(jù)傳輸連續(xù),主機(jī)查詢的時間間隔要小于緩沖被寫滿一次所需要的時間。 　　CH372的端點(diǎn)0 是默認(rèn)端點(diǎn)，在內(nèi)置固件模式下，自動處理USB各種標(biāo)準(zhǔn)事務(wù); 端點(diǎn)1 的下傳端點(diǎn)作為輔助端點(diǎn),用來傳輸數(shù)據(jù)采集的控制命令,如數(shù)據(jù)采集的開始、停止、設(shè)置數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)參數(shù)等; 端點(diǎn)2 作為批量數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn),用于對采集數(shù)據(jù)的傳輸。 　　CH372 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端單片機(jī)之間提供了端對端的連接，本系統(tǒng)采用請求加應(yīng)答方式進(jìn)行通訊。計(jì)算機(jī)應(yīng)用層按事先約定的命令碼加傳輸數(shù)據(jù)的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH372芯片,CH372 芯片再以中斷方式通知單片機(jī),進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序通過執(zhí)行GET_STUTAS命令獲取并分析中斷狀態(tài),是發(fā)送數(shù)據(jù)成功,執(zhí)行RD_USB_DATA命令從CH372讀取接收到的數(shù)據(jù);是上傳數(shù)據(jù)成功,執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372寫入下一組要發(fā)送的數(shù)據(jù);是中斷數(shù)據(jù),分析控制命令類型并轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集控制。 　　3.2 設(shè)備驅(qū)動程序 　　USB總線設(shè)備的客戶端驅(qū)動程序設(shè)計(jì)是開發(fā)USB總線外設(shè)的關(guān)鍵。USB總線設(shè)備采用分層的WDM驅(qū)動模型，通過它用戶不需要直接和硬件打交道，而只需通過下層驅(qū)動程序提供的接口來訪問硬件。驅(qū)動程序操作的核心是I/O請求包（IRP），各層驅(qū)動程序都要通過IRP來進(jìn)行通信。當(dāng)應(yīng)用程序需要對設(shè)備進(jìn)行I/O操作,就調(diào)用Windows API函數(shù),WIN32子系統(tǒng)通知I/O管理器根據(jù)請求構(gòu)造一個合適的IRP并把該請求傳遞至下一層。分發(fā)例程常常只執(zhí)行對IRP的初始處理，如檢查所有的參數(shù)是否合法的，然后把IRP 分發(fā)到下層驅(qū)動去處理 [4]。USB功能驅(qū)動程序通過USB總線驅(qū)動程序接口訪問USB總線,所有低層I/O都由USB總線驅(qū)動程序處理,所以功能驅(qū)動程序只關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸類型、傳輸時序、傳輸管道以及如何處理數(shù)據(jù)等操作。本系統(tǒng)直接應(yīng)用CH372芯片開發(fā)商提供的包含創(chuàng)建、關(guān)閉設(shè)備、設(shè)備控制、設(shè)備PnP等操作的設(shè)備驅(qū)動程序。 　　3.3應(yīng)用程序 　　客戶應(yīng)用程序由Visual C++編寫，向用戶提供設(shè)備打開、關(guān)閉，對數(shù)據(jù)采集的參數(shù)調(diào)整，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示等控制功能。當(dāng)設(shè)備連接好并經(jīng)配置可使用后，應(yīng)用程序需要與設(shè)備進(jìn)行通信，就可以啟動一次傳輸。 [align=center] 圖2 應(yīng)用程序流程圖[/align] 　　USB設(shè)備對應(yīng)用程序來說只是一個擁有設(shè)備名的文件，所以就可以使用Win32的API中的文件函數(shù)來對設(shè)備進(jìn)行控制。在應(yīng)用程序中利用多線程編程思想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時性，主線程完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,顯示數(shù)據(jù)等，輔助線程單獨(dú)完成對數(shù)據(jù)的采集工作。 4.結(jié)束語 　　隨著USB傳輸數(shù)據(jù)速度的提高，傳輸實(shí)時性的增強(qiáng)，會出現(xiàn)越來越多的USB設(shè)備。本文則根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝麻煩，價格昂貴，可擴(kuò)展性差的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個基于USB總線接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅硬件電路十分簡單，而且安裝方便，即插即用，有很好的可靠性和穩(wěn)定性，可以廣泛的應(yīng)用與對各種數(shù)據(jù)的采集。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本系統(tǒng)對于USB傳輸應(yīng)用CH372USB控制芯片的內(nèi)置固件模式屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議,默認(rèn)端點(diǎn)0自動處理主機(jī)的USB枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器做任何處理, 單片機(jī)程序非常簡潔,并且對數(shù)據(jù)采集部分的硬件采用自帶模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī),使得整個系統(tǒng)的控制和硬件電路都十分簡單。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 南京沁恒電子有限公司 CH372S使用手冊 [M] 2005 　　[2] 羅亞非 凌陽16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社 2005 　　[3] Jan Axelson . 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