齊 洋，張立強

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計

齊 洋，張立強

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一門綜合應(yīng)用技術(shù)，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等，具有很強的實用性。USB技術(shù)以其支持熱插拔和即插即用、占用系統(tǒng)資源少等特點迅速得到廣泛應(yīng)用。USB2.0憑借其480Mbps的理論傳輸速度，更是得到了人們的青睞。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外USB接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀，深入研究了USB的體系結(jié)構(gòu)。硬件部分具體描述了USB2.0單片機C8051F340的接口設(shè)計。在軟件部分，使用CygnaVSilicon公司的USBXpress軟件開發(fā)包，該開發(fā)包針對C8051F340等器件的USB接口編程設(shè)計，提供了完整的上位機與下位機軟件解決方案。其中上位機客戶應(yīng)用程序是與用戶交互的一個窗口，用于完成接收并顯示從硬件傳遞過來的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集；USB體系結(jié)構(gòu)；USB接口編程；上位機；下位機

1 引 言

在科學(xué)研究行業(yè)中，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為獲取信息的重要手段。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以PCI，ISA或EPP/ECP等方式完成數(shù)據(jù)傳輸，這些方式開發(fā)調(diào)試比較困難，安裝不便，通用性和可移植性差。目前廣泛應(yīng)用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點［1］，USB2.0的傳輸速率可達(dá)到480Mb/s，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄巍?/p>

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在總體上分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要包括芯片選擇、數(shù)據(jù)采集和傳輸電路以及電源轉(zhuǎn)換電路等。軟件部分主要由三部分組成：USB固件程序（Firmware）、USB設(shè)備驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序，三部分程序之間相互協(xié)作來完成整個采集系統(tǒng)的功能［2］。

由于C8051F340芯片在USB接口上特有的優(yōu)勢和特點，使得硬件接口設(shè)計變得非常簡單，不需要再添加額外的電子元器件，就能實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸與控制［3］。通過標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，實現(xiàn)下位機和上位機硬件連接，完成系統(tǒng)通訊的硬件通路。如圖1所示。

圖1 C8051F340的USB通信電路

3 下位機應(yīng)用程序設(shè)計

設(shè)計中C8051F340的固件開發(fā)使用了Cypress開發(fā)包和Keil C。因為C8051F340支持系統(tǒng)調(diào)試，極大簡化了測試與開發(fā)流程。

在編譯環(huán)境下，用USBXpress工具包中的API函數(shù)設(shè)計設(shè)備端的USB通信，前提是在工程中添加C8051F340.h、USB＿API.h和USBX＿F34X.LIB文件（USBXpress工具包提供相關(guān)文件）。所用到的設(shè)備接口函數(shù)主要有：

4 上位機應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序是直接面對用戶，由用戶對設(shè)備進(jìn)行操作的程序，通過該程序，用戶可以進(jìn)行設(shè)備已經(jīng)定義的操作，完成設(shè)備的功能和任務(wù)。因此，應(yīng)用程序不僅要能實現(xiàn)系統(tǒng)的既定功能，還要簡捷和美觀。對于論文所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，要想把采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳入計算機，除了前面介紹的內(nèi)容外，還需要有客戶應(yīng)用程序的支持。它是與用戶交互的一個窗口，用于完成接收并顯示從硬件傳遞過來的數(shù)據(jù)［4］。圖2為整個數(shù)據(jù)采集和處理過程流程圖。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

上位機軟件在Visual C＋＋6.0環(huán)境下開發(fā)，通過主機（上位機）的API函數(shù)調(diào)用動態(tài)連接庫文件SiUSBXp.dll，啟用應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動程序之間的通信，從而實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)通信。

4.1 程序接口

用戶應(yīng)用程序采用C＋＋語言編寫。由客戶交互界面、USB數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)保存顯示、設(shè)備故障預(yù)警四個模塊組成。在USB數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計中，使用Silicon Laboratories公司提供的主要API函數(shù)有：

4.2 應(yīng)用程序界面設(shè)計及其功能

應(yīng)用程序界面基于C/C＋＋的集成開發(fā)工具——Visual C＋＋6.0進(jìn)行開發(fā)，該開發(fā)工具提供了用于開發(fā)windows環(huán)境下的應(yīng)用程序的簡捷、快速和實用的開發(fā)環(huán)境。

Visual C＋＋6.0提供了MFC類庫，開發(fā)者只需要做少量工作就可以得到功能齊全的windows應(yīng)用程序。與使用C和Windows SDK開發(fā)windows應(yīng)用程序相比，使用Visual C＋＋6.0建立一個完美的Windows應(yīng)用程序所花費的時間要少得多［5-6］。

利用VC＋＋開發(fā)的應(yīng)用軟件具有高效、美觀、操作方便等優(yōu)點。

上位機設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 上位機設(shè)計界面

5 結(jié)束語

隨著USB技術(shù)的迅速發(fā)展，很多計算機已經(jīng)不把串行接口作為基本配置。所以利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是非常重要的技術(shù)。USB總線從誕生起便引發(fā)了一場產(chǎn)業(yè)革命。它以靈活、方便、應(yīng)用范圍廣、通信穩(wěn)定和成本低廉等優(yōu)點，使得PC機接口從串行口和并行口轉(zhuǎn)到USB總線上來。USB規(guī)范經(jīng)歷了多年的發(fā)展，不斷成熟起來，到現(xiàn)在己經(jīng)發(fā)展到了USB3.0。USB3.0以其高速和即插即用等優(yōu)勢必然在今后得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］ 戴向華.USB原理及其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機工程與設(shè)計，2004（5）：840-843.

Dai Xiang hua.Principle and application in data acquisition system［J］.Computer engineering and design，2004（5）：840-843.

［2］ 賈寶金，王寶珠，李曉玲.基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（24）：187-190.

Jia Bao jin，Wang Bao zhu，Li Xiao ling.RESEARCH AND DESIGN OF DATA ACQUISITION SYSTEM BASED ON USB［J］.Modern Electronics Technique，2007（24）：187-190.

［3］ 王曉寧.基于C8051F340單片機的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009（7）：111-113.

Wang Xiao ning.USB Data Collection System Based on MCU C8051F340［J］.Chinese medical equipment journal，2007（7）：111-113.

［4］ 尹勇，李宇.μVision2單片機應(yīng)用程序開發(fā)指南［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

Yin Yong，Li Yu.μVision2 MCU Application Development Guide［M］.Beijing：Science Press，2004.

［5］ 孔鵬.Visual C＋＋6.0完全自學(xué)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Kong Peng.Visual C＋＋6.0 Self-study manual［M］.Beijing：China Machine Press，2006.

［6］ David J Kruglinski，Scot Wingo，George Shepherd.Programming Visual C＋＋6.0技術(shù)內(nèi)幕（第五版）［M］.北京：北京希望電子出版社，1999.

David J.Kruglinski，Scot Wingo，George Shepherd.Inside Programming Visual C＋＋6.0［M］.Beijing：Beijing Hope Electronic Press，1999.

Research and Design of USB Data Acquisition System

Qi Yang，Zhang Liqiang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Data acquisition，as an integrated application technology，mainly focuses on information data acquisition，storage，processing and control and has a strong practicability.With such features as hot-swappable，plug and play，less system resource occupancy，etc.，USB technology has been rapidly and widely used.USB2.0 is used due to its fast theoretical transfer speed of 480Mbps.Combined with latest development of USB interface of both interior of country and abroad，the USB architecture is deeply studied.The interface design of C8051F340 microcontroller USB 2.0 is described for the hardware.USBXpress software development kit，from CygnaVSilicon，is used for the software，which conducts USB interface program design for devices such as C8051F340 to provide a complete software solution for both upper and lower computers.APP of upper computer，as a way of communication with customers，is used to accept and present data of hardware.

Data acquisition；USB system architecture；USB interface program；Upper computer；Lower computer

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.023

TN4

A

1002-2279（2015）03-0086-03

齊洋（1984-），男，遼寧省沈陽市人，助理工程師，主研方向：集成電路設(shè)計。

2015-01-15