基于usb總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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1、基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)摘要：介紹了基于ＵＳＢ總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的ＵＳＢ設(shè)備固件程序、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序的設(shè)計與具體實現(xiàn)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，通常需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。目前通用的通過數(shù)據(jù)采集板卡采集的方法存在著以下缺點：安裝麻煩，易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的失真?熏易受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，可擴展性差。而通用串行總線ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）的出現(xiàn)，很好地解決了上述問題，很容易實現(xiàn)便捷、低成本、易擴展、高可靠性的數(shù)據(jù)采

2、集，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。１系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)１．１硬件總體結(jié)構(gòu)基于ＵＳＢ總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開關(guān)、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、單片機、ＵＳＢ接口芯片，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。多路模擬信號經(jīng)過模擬開關(guān)傳到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?熏單片機控制采集，ＵＳＢ接口芯片存儲采集到的數(shù)據(jù)并將其上傳至ＰＣ，同時也接收ＰＣ機ＵＳＢ控制器的控制信息。１．２ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種專用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下簡稱Ｄ１２）。該芯片完全符合ＵＳＢ１．１規(guī)范，集成了

3、ＳＩＥ、３２０Ｂ的多配置ＦＩＦＯ存儲器、收發(fā)器、電壓調(diào)整器、ＳｏｆｔＣｏｎｎｅｃｔ、ＧｏｏｄＬｉｎｋ、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等，支持雙電壓工作、完全自動ＤＭＡ操作、多中斷模式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。單片機通過８位并行接口傳送經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù)，存儲在ＦＩＦＯ存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎ＳＩＥ立刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括同步模式識別、并／串轉(zhuǎn)換、位填充／不填充、ＣＲＣ校驗、ＰＩＤ確認(rèn)、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收／發(fā)器通過Ｄ＋、Ｄ－發(fā)送至ＰＣ。上述過程遵循ＵＳＢ１.１協(xié)議。Ｄ

4、１２與８９Ｃ５１的具體實現(xiàn)電路如圖３所示。２系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)軟件包括ＵＳＢ設(shè)備固件編程、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。其中設(shè)備固件是整個系統(tǒng)的核心，它控制芯片Ｄ１２采集數(shù)據(jù)、接收并處理ＵＳＢ驅(qū)動程序的請求和應(yīng)用程序的控制指令。２．１ＵＳＢ設(shè)備固件程序設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)備固件是設(shè)備運行的核心，用Ｃ語言設(shè)計。其主要功能是控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集；接收并處理驅(qū)動程序的請求，如請求描述符、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ＵＳＢ１.１標(biāo)準(zhǔn)請求；控制芯片Ｄ１２接收應(yīng)用程序的控制指令等。其程序主框圖如圖４所

5、示。單片機檢測到Ｄ１２后進(jìn)入主循環(huán)。此時ＰＣ機先發(fā)令牌包給Ｄ１２，Ｄ１２接收到令牌包后給單片機發(fā)中斷，單片機據(jù)中斷類型設(shè)定標(biāo)志位Ｓｔａｔｕｓ；最后執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)志位的中斷服務(wù)程序。單片機通過Ａ／Ｄ模塊的中斷入口控制Ａ／Ｄ模塊的數(shù)據(jù)采集。２．２驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)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)層由通用串行總線驅(qū)動程序模塊（ＵＳＢＤ）和主控制器驅(qū)動程序模塊（ＨＣＤ）組成。圖3PDIUSBD12與89C51的具體實現(xiàn)電路為使驅(qū)動程序具有通用性，也為

6、簡化應(yīng)用程序的開發(fā)，編寫了供應(yīng)用程序調(diào)用的動態(tài)鏈接庫。這樣應(yīng)用程序只需調(diào)用此庫提供的接口函數(shù)即可完成對ＵＳＢ設(shè)備的操作。ＵＳＢ函數(shù)層（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供，負(fù)責(zé)管理ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序與ＵＳＢ控制器之間的通信、加載及卸載ＵＳＢ驅(qū)動程序等。目前Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供的多種ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序并不針對實時數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此采用ＤＤＫ開發(fā)工具設(shè)計專用的設(shè)備驅(qū)動程序。其由四個模塊組成：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。