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）