基于通用串行總線（USB）的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議，充分體現(xiàn)USB便捷、易擴(kuò)展、低成本、低干擾的特點。詳細(xì)介紹系統(tǒng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備固體、應(yīng)用程序的具體設(shè)計。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。目前比較通用的是在PC或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集板卡，如A/D卡及422、485卡。這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在以下缺陷：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。 通用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為了解決傳統(tǒng)總線的不足推廣的一種新型串行通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；赨SB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用USB總線的上述優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 1.1 硬件總體結(jié)構(gòu) USB實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器、USB通信接口和多路模擬開關(guān)。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1.2 USBN9602芯片 USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一種專用芯片USBN9602。該芯片內(nèi)部集成微處理器接口、FIFO存儲器、時鐘發(fā)生器、串行接口引擎（SIE）、收發(fā)器、3.3V電壓轉(zhuǎn)換器，支持DMA、微波接口，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。 微控制器通過8位的并行接口傳送A/D采集的數(shù)據(jù)，存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中包括：同步模式識別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/解填充、CRC產(chǎn)生與校驗、地址識別、握手響應(yīng)與產(chǎn)生、USB特殊事件（Reset、Suspend、Resume）檢測；最后由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線（D+、D-）傳送數(shù)據(jù)至PC。上述過程嚴(yán)格遵守USB1.1協(xié)議。USBN9602與89C52的具體實現(xiàn)電路如圖3所示。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件包括USB設(shè)備驅(qū)動程序、設(shè)備固件、應(yīng)用程序。 2.1 USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā) USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型：較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅(qū)動程序模塊（USBD）和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊（HCD）。它們的層次關(guān)系如圖4所示。 在上述USB分層模塊中，USB函數(shù)層（USBD及HCD）由Windows98提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動程序和USB控制器之間的通信；加載及卸載USB驅(qū)動程序；與USB設(shè)備通用端點（endpoint）建議通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。 目前Windows98提供了多種USB設(shè)備驅(qū)動程序，但并不針對實時數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此需采用DDK開發(fā)工具設(shè)計專用的USB設(shè)備驅(qū)動程序。可以由四個模塊實現(xiàn)：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(xiàn)模塊。 初始化模塊提供一個DriverEntry入口點來執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。 即插即用管理模塊實現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測到USB設(shè)備接入時，Winodws98查找響應(yīng)的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的DriverEntry例程，PnP管理器調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程，告訴它添加了一個設(shè)備；然后，驅(qū)動程序為USB設(shè)備建立一個FDO（功能設(shè)備對象），在此處理過程中，驅(qū)動程序收到一個IRP_MN_START_DEVICE的IRP，包括設(shè)備分配的資源信息。至此，設(shè)備被正確配置，驅(qū)動程序開始與硬件進(jìn)行對話。當(dāng)然，在設(shè)備運(yùn)行過程中，如果設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化（拔除、暫停等），PnP管理器也同樣發(fā)出相應(yīng)的IRP，由驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。 電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。 I/O功能實現(xiàn)模塊完成I/O請求的大部工作。當(dāng)應(yīng)用程序提出I/O請求時，它調(diào)用Win32 API函數(shù)DeviceIoControl來向設(shè)備發(fā)出命令。然后，由I/O管理器構(gòu)成一個IRP并設(shè)置其MajorFunction域為IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。USB設(shè)備驅(qū)動程序收到該IRP后，取出其中的控制碼，并利用一個開關(guān)語句來找到對應(yīng)的例程入口。 2.2 設(shè)備固件（firmware）設(shè)計 設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，采用匯編語言設(shè)計。其主要功能是控制芯片USB9602接受并處理USB驅(qū)動程序的請求（如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等供10種USB1.1標(biāo)準(zhǔn)請求）；控制芯片USB962接受應(yīng)用程序的控制指令；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過USB9602存儲數(shù)據(jù)并實時上傳PC。其程序主框圖如圖5所示。 在圖5中，ALT事件表示硬件檢測到USBN96902處于下列狀態(tài)：Reset、Resume、Suspend，由ALTEV寄存器匯報并產(chǎn)生中斷。 2.3 應(yīng)用程序設(shè)計 PC機(jī)或工控機(jī)應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)的中心，采用Visual C++ 5.0編程。其功能主要有：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實時從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。USB程序主框圖如圖6所示。 由于USB9602提供的FIFO不超過64字節(jié)，當(dāng)FIFO存滿后，USB9602自動將數(shù)據(jù)打包即時請求讀入數(shù)據(jù)，由SIE自動發(fā)送數(shù)據(jù)包。程序獲得數(shù)據(jù)后，需延遲至下組數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備完畢，從而保證程序與設(shè)備采集頻率同步。另外，當(dāng)系統(tǒng)啟動A/D模塊后程序持續(xù)執(zhí)行，并采用多線程編程發(fā)出停止采集和關(guān)閉USB設(shè)備的命令。 3 基于USB總線的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)特點 基于USB總線的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)設(shè)計上嚴(yán)格遵循USB1.1協(xié)議，其性能特點如下： （1）安裝方便，支持即插即用。安裝時可在不關(guān)機(jī)不打開機(jī)箱的情況下將設(shè)備插入USB插槽，運(yùn)行驅(qū)動程序即可，以后可直接對設(shè)備熱插拔。 （2）易擴(kuò)展。最第傳輸距離5m，采用Hub或中繼器可達(dá)30m；最多對外可接127個設(shè)備。 （3）供電方便。USB總線直接利用主機(jī)電源為外設(shè)提供最大5V 500mA的電流，系統(tǒng)無需另備電源。 （4）電源干擾影響極小。由于本產(chǎn)品放置在計算機(jī)機(jī)箱外，不受箱內(nèi)的板間電源干擾。如在電磁干擾較嚴(yán)重的環(huán)境下，可以為該產(chǎn)品專門設(shè)計屏蔽方案。 （5）性價比高。遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 （6）實時采集，實時顯示。 編輯:何世平