USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊福寶，陳 欣

（武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070）

1 方案介紹

目前市面上的USB設(shè)備接口芯片種類繁多，可選擇的范圍也很廣泛。CH375是一款具有USB主控和設(shè)備功能的（Host/Device）雙角色芯片。CH375的設(shè)備方式下， CH375芯片功能特點如下：

1）產(chǎn)品制造商可以自定義廠商標識（Vendor ID）和設(shè)備標識（Device ID）；

2）通用的本地8位數(shù)據(jù)總線，4線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出；

3）它符合USB1.1版本規(guī)范，具備全速設(shè)備接口；

4）主端點上傳下傳緩沖區(qū)各64字節(jié)，輔助端點上傳下傳緩沖區(qū)各8字節(jié)；

5）支持5V電源電壓和3.3V電源電壓，CH375A芯片還支持低功耗模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 USB接口設(shè)計

CH375芯片提供了通用的被動并行接口，CH375以總線方式掛接在單片機數(shù)據(jù)總線上，與多個外圍器件共存。單片機可以與CH375進行通訊操作，當CS375（即CS#）為低電平時；D7～D0上的數(shù)據(jù)會被寫入CH375芯片中，當RD#為高電平并且CS#和WR#及A8都為低電平時；D7～D0上的數(shù)據(jù)會被作為命令碼寫入CH375芯片中，當RD#為高電平并且CS#和WR#都為低電平而A0為高電平時。

CH375芯片的UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。CH375芯片內(nèi)置了電源上電復(fù)位電路，并可以產(chǎn)生復(fù)位信號。為確保上電復(fù)位次序，本系統(tǒng)設(shè)計中，單片機的復(fù)位信號是通過CH375產(chǎn)生的。

CH375芯片正常工作時需要提供12MHz的外部時鐘信號，在XI和XO引腳之間連接一個標稱頻率為12MHz的晶體，分別為XI和XO引腳對地連接一個容量為30pF的高頻振蕩電容。CH375芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。本系統(tǒng)使用5V工作電壓，并且V3引腳處外接容量為0.01uF的電源退耦電容。

2.2 片選譯碼電路設(shè)計

單片機[2]是通過片選信號/CS、讀寫信號線/WR、/RD和地址線A0的聯(lián)合控制實現(xiàn)對CH375的訪問。因為外圍總線上擴展了多個器件，需要多個譯碼邏輯實現(xiàn)總線分配，因此采用了如圖1所示的譯碼電路連接。

此處選用的GAL是可編程陣列邏輯，主要用于通過地址譯碼給各個芯片產(chǎn)生片選信號。GAL器件在電路結(jié)構(gòu)上采用了可編程輸出邏輯宏單元，可由用戶定義每個輸出管腳的邏輯組合方式。因此，一片GAL可通過不同的編程從而實現(xiàn)多種標準邏輯芯片組合才能實現(xiàn)的功能，不僅簡化了電路設(shè)計過程，減小體積并降低成本，而且可靠性也得到了極大的改善。同時GAL器件采用電可擦除的CMOS工藝，可以用電壓信號擦除并可重復(fù)編程。

圖1 GAL16V8譯碼電路

2.3 A/D接口設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換部分采用的器件是TLC2543，電路設(shè)計如圖2所示。TLC2543是德州儀器公司生產(chǎn)的12位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用簡單的3線SPI串行接口可方便地與控制器進行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在USB系統(tǒng)中，其軟件包括以下幾個部分：主機應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動程序和設(shè)備固件程序。根據(jù)USB協(xié)議，在一個USB系統(tǒng)中，任何一次通訊都是由USB主機發(fā)起的，USB設(shè)備根據(jù)主機發(fā)來的命令給予響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.1 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

Windows提供了一些標準設(shè)備如：大容量存儲設(shè)備、人機接口設(shè)備等的驅(qū)動程序，但對于用戶自行開發(fā)的非標準類的應(yīng)用設(shè)備，還需要自行編寫、加載驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是保證應(yīng)用程序正確訪問設(shè)備的軟件組件，使得應(yīng)用程序無須知道物理連接、信號和與設(shè)備通訊所需協(xié)議等細節(jié)，僅需通過外設(shè)名字訪問外設(shè)或目的端口。

驅(qū)動程序通過在應(yīng)用層和硬件專用代碼之間的轉(zhuǎn)化來完成它的任務(wù)。編寫驅(qū)動程序，必須遵循微軟在WIN98及其更新版本中為用戶定義的WIN32驅(qū)動模式。這些驅(qū)動程序就是WDM（Win 32Driver Model——設(shè)備驅(qū)動程序模型），它的擴展名為.sys。USB驅(qū)動程序的編寫與硬件相關(guān)，屬于核心模式。另外， Windriver是一款專業(yè)的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)工具，相比DDK開發(fā)要簡單些，利用它開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序，開發(fā)者不需要深入了解操作系統(tǒng)內(nèi)核。WinDriver for USB也已發(fā)布，WinDriver USB使程序員可以開發(fā)基于USB接口的高性能設(shè)備驅(qū)動程序。

3.1.1 使用Windows DDK開發(fā)驅(qū)動程序

Windows DDK（Device Driver Developer's Kit）是微軟公司提供的一個開發(fā)Windows驅(qū)動程序的工具。使用DDK開發(fā)驅(qū)動是一個比較傳統(tǒng)的方法，其過程如下：

1）根據(jù)要變異的驅(qū)動程序類型，選擇編譯環(huán)境。注意，這里的環(huán)境和運行的操作系統(tǒng)沒有關(guān)系，例如，在Windows XP環(huán)境下，可以編譯Windows2000環(huán)境下的驅(qū)動程序。

2）DDK提供編譯驅(qū)動程序的環(huán)境，在該環(huán)境下進入與編譯的驅(qū)動程序所在的目錄，輸入build即可開始編譯。

3）build將會在這個目錄中尋找一個叫sources的文件，這個文件告訴編譯程序，應(yīng)該怎么做。

3.1.2 即插即用(PNP)處理例程的編寫(IRP_MJ_PNP)

驅(qū)動程序初始化完成后，接著必須對設(shè)備進行初始化。PnP管理器調(diào)用驅(qū)動程序中AddDevice例程來初始化該驅(qū)動程序控制的每個設(shè)備。當一個驅(qū)動程序從PnP管理其中收到IRP_MN_START_DEVICE請求時，驅(qū)動程序使設(shè)備啟動并且準備好處理IO操作。

對設(shè)備進行停止或者卸載時，需要等待其余IRP都操作完畢。為了在驅(qū)動程序中知道這一點，可以采用一個類似于信號量的計數(shù)器，在一個IRP開始的時候使此計數(shù)器增加1，結(jié)束時使其減少1。

3.2 動態(tài)鏈接庫

在本系統(tǒng)應(yīng)用中，CH375的制造商提供了設(shè)備方式下的標準驅(qū)動CH375WDM.INF和動態(tài)鏈接庫：CH375DLL.DLL，通過加載驅(qū)動信息可以在應(yīng)用程序中直接調(diào)用動態(tài)鏈接庫。CH375在計算機端提供了應(yīng)用層接口，應(yīng)用層接口是由CH375動態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應(yīng)用的API，所有API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。CH375動態(tài)鏈接庫提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API。（相關(guān)API參數(shù)的未列出。）

3.2.1 設(shè)備管理API

打開設(shè)備：CH375OpenDevice

關(guān)閉設(shè)備：CH375CloseDevice

獲得驅(qū)動程序版本號：CH375GetDrvVersion

獲取USB設(shè)備描述符：CH375GetDeviceDescr

獲取USB配置描述符：CH375GetConfigDescr

復(fù)位USB設(shè)備：CH375ResetDevice

設(shè)置USB數(shù)據(jù)讀寫的超時：CH375SetTimeout

設(shè)置獨占使用當前C H 3 7 5設(shè)備：CH375SetExclusive

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸API

讀取數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)上傳）：CH375ReadData寫出數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)下傳）：CH375WriteData放棄數(shù)據(jù)塊讀操作：CH375AbortRead放棄數(shù)據(jù)塊寫操作：CH375AbortWrite

寫出輔助數(shù)據(jù)（輔助數(shù)據(jù)下傳）：CH375WriteAuxData24

3.2.3 中斷處理API

讀取中斷數(shù)據(jù)：CH375ReadInter

放棄中斷數(shù)據(jù)讀操作：CH375AbortInter

設(shè)定中斷服務(wù)程序：CH375SetIntRoutine

本設(shè)計采用VB6.0作為計算機端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺，首先需要將CH375的動態(tài)鏈接庫、驅(qū)動程序復(fù)制到計算機中。在設(shè)備初次連入計算機USB口時，系統(tǒng)會自動提示設(shè)備連入，要求加載驅(qū)動。將路徑指向驅(qū)動所在目錄即可完成加載。在VB開發(fā)中，需要將動態(tài)鏈接庫的訪問入口添加至VB6.0的項目中。動態(tài)鏈接庫的使用，簡化了USB設(shè)備開發(fā)的步驟，降低了開發(fā)難度，為系統(tǒng)調(diào)試節(jié)省了時間。

3.3 客戶應(yīng)用程序與設(shè)備間通訊

通過動態(tài)鏈接庫的數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，CH375在計算機應(yīng)用層與本地端單片機之間提供了端對端的連接。客戶應(yīng)用程序與設(shè)備固件間的通訊采用請求加應(yīng)答方式。此通訊方式具有較好的交互性和可控性。

請求加應(yīng)答方式使用一個下傳的主動請求和一個上傳的被動應(yīng)答進行交互式的雙向數(shù)據(jù)通訊，下傳與上傳一一對應(yīng)，相互關(guān)聯(lián)。所有的通訊都由客戶應(yīng)用程序發(fā)起，然后以接收到單片機的應(yīng)答結(jié)束。

3.4 固件程序設(shè)計

單片機端程序設(shè)計包括I2C器件數(shù)據(jù)讀寫、LCD信息顯示、按鍵掃描相應(yīng)、A/D數(shù)據(jù)采集及USB接口處理等部分。CH375與單片機之間設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動：當單片機處理前臺任務(wù)時，USB的傳輸可在后臺進行，這樣不僅確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，也簡化了編程和調(diào)試。后臺ISR（中斷服務(wù)程序）和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換可以通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來完成。

3.4.1 USB接口處理程序

CH375芯片專門用于處理USB通訊，在從主機接收到數(shù)據(jù)后或者向主機發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH375以中斷方式通知單片機進行處理。

3.4.2 數(shù)據(jù)采集程序

對于A/D數(shù)據(jù)采集的程序處理，根據(jù)模擬量的不同特點和采用需求，可以采用不同的方式。對采樣周期要求嚴格的數(shù)據(jù)采樣，可以將事件處理放到定時器中斷里進行。

4 結(jié)論

與基于串口和基于板卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，基于CH375的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有即插即用、數(shù)據(jù)傳輸速度快、易使用以及低成本的特點。該系統(tǒng)還可以與RS485總線結(jié)合起來，實現(xiàn)遠程多點數(shù)據(jù)的采集。

[1]周振宇,谷海穎.基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2002.

[2]周立功.增強型80C51單片機速成與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.