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        基于USB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2016-10-22 01:36:53劉先盛
        數(shù)碼世界 2016年10期
        關(guān)鍵詞:驅(qū)動程序總線單片機(jī)

        劉先盛

        渤海大學(xué)

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        基于USB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        劉先盛

        渤海大學(xué)

        在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中,做好數(shù)據(jù)的采集工作有著非常重要的意義,當(dāng)前采集系統(tǒng)中的采集方法存在的各種問題,可能會存在安裝麻煩以及由于環(huán)境的影響而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的問題,所以會對中斷資源產(chǎn)生限制,不利于進(jìn)行很好的擴(kuò)展,但是USB總線控制更好地解決了存在的各種問題,文章分析了主機(jī)和小型科學(xué)儀器的接口方式,認(rèn)為通過串行總線就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和小型科學(xué)儀器(USB)的通信,我們從硬件設(shè)計(jì),固件設(shè)計(jì),設(shè)備驅(qū)動設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的方面對USB總線的數(shù)據(jù)采集,有利于下一步多臺儀器和主機(jī)互聯(lián)的目標(biāo)。

        USB總線 數(shù)據(jù)采集 傳輸系統(tǒng)

        1 前言

        因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,慢慢的出現(xiàn)了各種便攜式的電子產(chǎn)品,但是因?yàn)楣こ虒?shí)踐中出現(xiàn)的各種采集裝置的問題,而且采集的過程中很復(fù)雜,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體積會影響數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展,USB接口技術(shù)與PCI或ISA總線接口技術(shù)比起來,因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸效率比較高所以這些電子產(chǎn)品能夠進(jìn)行傳輸,單片機(jī)是為了對智能儀器設(shè)備進(jìn)行控制而使用的一種微型計(jì)算機(jī),這種計(jì)算機(jī)的功能非常強(qiáng)大,而且具備優(yōu)異的性能,這種單片機(jī)的分支轉(zhuǎn)移目標(biāo)以及定位處理功能對工業(yè)控制的需要有著重要的意義。

        為了促進(jìn)接調(diào)度速度和精度的提升,采用了基于SPCE061A 16位單片機(jī)的USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。得出了一種USB通信的詳細(xì)硬軟件設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)處理方法,而且USB總線技術(shù)有利于PC機(jī)總線的發(fā)展,因?yàn)檫B接的方式很簡單,而且連接的速度比較快,這里利用USB2.0實(shí)現(xiàn)和RS-232接口通信,通過PC機(jī)可以對原有的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,在對硬件設(shè)計(jì)的過程中,對于充分發(fā)揮軟件的作用有著重要的意義,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的編程技術(shù)效率不高,而且進(jìn)行及時(shí)處理很困難,需要通過windows多任務(wù)處理功能,通過各種編程技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

        2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

        當(dāng)前USB控制器出現(xiàn)了兩個(gè),一種是有USB接口的單片機(jī),不是USB接口的芯片,要更好地實(shí)現(xiàn)USB通信就要有外部微處理器進(jìn)行協(xié)調(diào),然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換;可以使用公司的接口芯片讓USB更好地進(jìn)行傳輸,而且提供了一種8位的并行接口有利于數(shù)據(jù)以及地址的復(fù)用,而且可以很好的和單片機(jī)進(jìn)行連接。

        本設(shè)計(jì)使用了橋式整流電路和AD522 構(gòu)成前端調(diào)理電路,AD522 是一種高精度的數(shù)據(jù)采集器,A/D轉(zhuǎn)換主要使用的美國模擬器件公司的產(chǎn)品AD7884,這種產(chǎn)品具有高速而且高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器,AD7884工作速度也比較高,對干擾噪聲比較敏感,使用的主要方法是在外部電路以及電源單加上特有電路,在輸入端和模擬地使用了運(yùn)算放大器,有效的改進(jìn)了 AD7844的動態(tài)特性。

        在該系統(tǒng)中,時(shí)鐘電路的信號是通過接口電路的DMA控制器獲得的,由于計(jì)數(shù)器譯碼器以及觸發(fā)器構(gòu)成的分頻電路,這種電路一般會提供125HZ 驅(qū)動信號,有利于對4個(gè)信道進(jìn)行采集。

        這個(gè)信號會經(jīng)過特定的處理和分屏,而且時(shí)鐘電路的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜,可以很可靠地進(jìn)行工作,系統(tǒng)的緩存通過4片6264 組成,地址編碼會通過接口電路的控制器實(shí)現(xiàn),可以通過硬件自動地完成對數(shù)據(jù)的采集,如果緩沖存儲器半滿的時(shí)候,就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,而且硬件可以繼續(xù)對緩存進(jìn)行采樣。

        3 硬件電路設(shè)計(jì)

        有用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有 A/D轉(zhuǎn)換器,,微控制器以及USB通信接口:在這里, 由于ADuC812 內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器和微控制器,有利于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分的采集,整個(gè)系統(tǒng)由 USBN9604 和 ADuC812 連接而成.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架如圖 1所示。

        圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)

        單片機(jī)和采集電路的電源會通過計(jì)算機(jī)的USB接口獲得,而且ADuC812 單片機(jī)的 P0 口采用的分時(shí)復(fù)用的方法,既可以用作地址線,也可以用作數(shù)據(jù)線,因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了總線復(fù)用,所以它們之間的連接更簡單,因?yàn)閿?shù)據(jù)和控制信號通過中斷和讀寫8 位地址/數(shù)據(jù)線來傳遞。USBN9604 會占用到地址7Fxxh,有用的地址范圍為7F00h~7F3Fh.,單片機(jī)也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,一般轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電源為0~5 V,我們可以使用5V的電源,如果進(jìn)行了模擬樣的采集以后,需要進(jìn)行濾波以及放大才能將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,才能在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換,所得的數(shù)據(jù)臨時(shí)存放在內(nèi)部的 RAM 或外部擴(kuò)展的 RAM 中,如果接收到了程序的指令USBN9604 的發(fā)送 FIFO 中,通過它可以發(fā)送到上層設(shè)備,有利于更好地處理USB通信,他的處理能力不強(qiáng),進(jìn)行USB協(xié)議的解釋,所以需要將數(shù)據(jù)和控制信號進(jìn)行分布,USB使用四芯電纜連接,電纜中有四條線,這幾條線可以標(biāo)識設(shè)備,可以標(biāo)志高速設(shè)備或者是低速設(shè)備。上面圖1為硬件總體結(jié)構(gòu)圖。

        4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的軟件有設(shè)備單程序和驅(qū)動程序,因?yàn)橹鳈C(jī)驅(qū)動程序會涉及到windows內(nèi)核移動,所以內(nèi)容會出現(xiàn)復(fù)雜的情況,要對設(shè)備單的程序進(jìn)行介紹,設(shè)備端程序也要通過各種代碼進(jìn)行書寫,可以使用匯編語言進(jìn)行編寫,可以使用C51語言編寫,有利于設(shè)備的數(shù)據(jù)管理和交互,圖2是一種主程序的框架,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和主機(jī)驅(qū)動程序相互響應(yīng),而且有利于設(shè)備的添加配置,刪除等基本操作數(shù)據(jù)交互是讓設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳送,有利于單片機(jī)及 USBN9604 的初始化工作,數(shù)據(jù)的采集需要通過終端的方式進(jìn)行,共有 3 個(gè)中斷程序 ,每個(gè)程序都要設(shè)置 A/D 轉(zhuǎn)換,這樣才能更好的接收數(shù)據(jù)并且存儲,如果獲得了主機(jī)命令,就要對命令類型進(jìn)行判斷,才能讓數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送和事件處理,9604的初始化會涉及到各種設(shè)備的問題,在對設(shè)備進(jìn)行枚舉的時(shí)候,需要發(fā)送各種數(shù)據(jù)包,這樣才能將數(shù)據(jù)信息更好地傳送,包括設(shè)備的類型以及設(shè)備的接口,這樣才能為設(shè)備分配各種地址,有利于設(shè)備更好地進(jìn)行初始化操作,設(shè)備完成初始化操作后就可以進(jìn)行正常工作,對驅(qū)動程序的編寫是一種很困難的工作,還沒有需要處理的窗口信息,如果沒有windows系統(tǒng)的保護(hù)作用就會影響操作系統(tǒng),而且設(shè)備驅(qū)動程序是系統(tǒng)非常信任的一部分,會對系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生影響,出現(xiàn)系統(tǒng)崩壞的情況,所以在開發(fā)的時(shí)候要注意驅(qū)動程序的配備:C ++,Win-dows device developer kits(DDK),此外還要有必要的調(diào)試工具,比如:SoftIce、 Winbug等。驅(qū)動程序使用 WDM 模型 ,支持設(shè)備的即插即用。

        5 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

        USB驅(qū)動程序是是基于WDM的。對于USB設(shè)備來說,驅(qū)動可分為USB總線驅(qū)動程序以及USB功能驅(qū)動,操作系統(tǒng)就可以對總線進(jìn)行驅(qū)動,因?yàn)楹蛯?shí)際的硬件有聯(lián)系,所以有利于進(jìn)行低層的通信,總線驅(qū)動程序是通過開發(fā)者進(jìn)行編寫的,在USB總線驅(qū)動程序的上層,通過總線驅(qū)動程序會發(fā)送包含URB的IRP ,有利于對USB設(shè)備信息進(jìn)行接送。

        WDM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和WN32程序設(shè)計(jì)的消息驅(qū)動很相像,這種驅(qū)動體制的主體是一個(gè)入口函數(shù)DriveEnry ,函授的參數(shù)是指針會指向某個(gè)初始化的驅(qū)動程序,這樣的方法會將函數(shù)指針填入到驅(qū)動程序中,這些指針對操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動程序容器中各種子例程的位置。以下圖2就是本文所涉及的DriveEnry 例程實(shí)現(xiàn)。

        圖2 USB系統(tǒng)驅(qū)動程序?qū)哟侮P(guān)系

        6 結(jié)語

        USB總線接口作為計(jì)算機(jī)的一種接口,在許多應(yīng)用中獲得了廣泛的發(fā)展,因?yàn)橛?jì)算機(jī)外設(shè)設(shè)備的不斷進(jìn)步,有利于滿足人們的需求,所以在許多音像設(shè)備以及語音設(shè)備中都使用了USB接口,本文分析了USB總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并且介紹了方案設(shè)計(jì)的硬件和軟件方法,因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程很復(fù)雜,,包括數(shù)據(jù)采集硬件的固件程序調(diào)試和 PC 機(jī)上驅(qū)動程序的調(diào)試。在這里 ,我們可以使用硬件仿真器這樣才能對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件更好進(jìn)行仿真,有利于程序獲得良好的效果,也能夠?qū)崿F(xiàn)整體的性能,有利于預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),這種設(shè)備在國內(nèi)外處于高速發(fā)展的時(shí)代而且在國內(nèi)也獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,采用 USB2.0協(xié)議的 USB 接口 ,最大限度的提升了數(shù)據(jù)的傳輸速度,如此高的傳輸速率對于傳輸速率的發(fā)展有著重要的意義,通過這種高設(shè)計(jì)的設(shè)備控制,有利于實(shí)現(xiàn)動態(tài)圖像的控制和傳輸,隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步,USB必將在更廣闊的發(fā)展領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。

        [1] 陳繁.USB在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].知識經(jīng)濟(jì),2010(16)

        [2] 臧巨輪,朱長青,王川川等.USB總線數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù),2009(12)

        [3] 蔣承延,賈日亙.基于USB的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(6)

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