基于USB2.0和LabWindows/CVI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

王海濤，陳后金

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

隨著電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)在智能儀器、國防軍事、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器的軟件和硬件都是由廠商預(yù)先定義、預(yù)先封裝的，這樣，他們的靈活性就比較差。美國國家儀器公司（NI 公司）推出的交互式C語言開發(fā)平臺—LabWindows/CVI，將C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示的測控專業(yè)工具結(jié)合起來，給熟悉C 語言的開發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫自動測試環(huán)境、檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

現(xiàn)在，常用的采集方式是在計(jì)算機(jī)或者工控機(jī)安裝外圍控制接口（PCI）或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線接口（ISA）的數(shù)據(jù)采集卡。雖然這些板卡自帶了設(shè)備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫，在軟件編程時可以直接調(diào)用自帶的數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示，但是，這些板卡通常價格昂貴、安裝麻煩、容易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，而且計(jì)算機(jī)或者工控機(jī)插槽數(shù)量有限，不能掛載很多設(shè)備。而通用串行總線（USB）的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。

本文把LabWindows/CVI與USB結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種基于LabWindows/CVI軟件開發(fā)平臺和USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通過普通的USB連接線與計(jì)算機(jī)連接，支持即插即用，使用簡單方便，既避免了傳統(tǒng)儀器靈活性差，又不會有現(xiàn)在儀器成本高的缺點(diǎn)。

1 硬件電路

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由USB2.0接口芯片CY7C-68001、控制和計(jì)算芯片TMS320C6713、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7865及擴(kuò)展接口芯片CPLD等組成。AD7865采集到電壓和電流數(shù)據(jù)以后，經(jīng)過TMS320C6713寫入到CY7C68001芯片的端點(diǎn)，再通過USB總線傳給上位機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 動態(tài)鏈接庫設(shè)計(jì)

LabWindows/CVI以ANSI C為編程語言，它開發(fā)的應(yīng)用程序不能直接調(diào)用Windows系統(tǒng)的應(yīng)用程序編程接口。但是，在Windows平臺下，應(yīng)用程序和USB設(shè)備之間的通信必須通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)。這樣，要想與USB設(shè)備通信，就必須在LabWindows/CVI平臺開發(fā)的應(yīng)用程序與Windows API函數(shù)之間建立聯(lián)系。LabWindows/CVI開發(fā)的應(yīng)用程序可以調(diào)用動態(tài)鏈接庫（DLL）里面的函數(shù)，而DLL文件可以調(diào)用Windows的API函數(shù)，因此，DLL文件就是兩者建立聯(lián)系的橋梁。

本文將計(jì)算機(jī)與USB通信的各種API函數(shù)（比如打開一個存在的USB設(shè)備）都封裝了起來，做成了一個DLL文件，然后在應(yīng)用程序中進(jìn)程加載和調(diào)用，進(jìn)而訪問USB設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。這樣做也便于程序的管理和代碼的重復(fù)利用，并且很好地保護(hù)了代碼的知識產(chǎn)權(quán)。

表1中列出了要加入的幾個函數(shù)的聲明及功能。其中：

myRequest和bulkControl分別是EZ-USB設(shè)備驅(qū)動頭文件ezusbsys.h中定義的VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL和BULK_TRANSFER_CONTROL的結(jié)構(gòu)體類型。

DLL文件可以在VC++ 6.0的環(huán)境下開發(fā)：

表1 DLL函數(shù)及功能

（1）建立一個Win32 Dynamic-Link Library的工程。

（2）在選擇創(chuàng)建什么類型的DLL選項(xiàng)中選擇“建立一個簡單的DLL工程”。點(diǎn)擊“完成”。

（3）在工程中加入必要的頭文件和自己編寫的函數(shù)，編譯連接就可以生成LIB和DLL文件。

要在LabWindows/CVI中使用這個DLL函數(shù)，必須把DLL、LIB和主頭文件拷貝到應(yīng)用程序的文件夾下，并且在應(yīng)用程序工程中添加LIB和C文件中包含拷貝過來的.h文件。

2.2 多線程技術(shù)與設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示并行處理，采用了多線程技術(shù)。這樣就可以把這些任務(wù)分配給不同的線程，次線程完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，而主線程完成顯示和存儲等。這樣就能最大限度地保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性，并且能及時響應(yīng)界面的其他操作。

2.2.1 線程池的使用

LabWindows/CVI提供了兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)多線程操作。這兩種機(jī)制是線程池和異步定時器。線程池技術(shù)比較適用于運(yùn)行不連續(xù)的任務(wù)或者是一個死循環(huán)；而異步定時器技術(shù)則比較適用于執(zhí)行一些有規(guī)律的中斷。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文采用了線程池的機(jī)制。應(yīng)用程序以用戶界面為主線程，完成數(shù)據(jù)的顯示和輸入響應(yīng)的任務(wù)。而數(shù)據(jù)采集線程則在響應(yīng)用戶界面采集指令后啟動，并且它作為后臺線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)界面存儲指令進(jìn)行存儲，而主線程則在發(fā)生一定的觸發(fā)事件后進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。

要使用LabWindows/CVI提供的線程池技術(shù)創(chuàng)建采集線程，必須調(diào)用Utility Library中的CmtScheduleThreadPoolFunction函數(shù)，并且將要在采集線程中運(yùn)行的函數(shù)的名稱傳遞給它，這樣，線程池會安排一個空閑的線程來執(zhí)行這個函數(shù)中的代碼。傳遞給CmtScheduleThreadPoolFunction的函數(shù)成為線程池函數(shù)，它必須有下面的格式：

int CVICALLBACK ThreadFunction (void*functionData);

而主函數(shù)還需要調(diào)用庫中的CmtSchedule-ThreadPoolFunction函數(shù)創(chuàng)建一個新的線程來執(zhí)行用戶指定的線程函數(shù)。這樣，用戶自定義的函數(shù)就可以在次線程中執(zhí)行，同時，主線程執(zhí)行主函數(shù)的回調(diào)而無需等待次線程的執(zhí)行。

在主線程退出之前，需要調(diào)用CmtWait-ForThreadPoolFunctionCompletion函數(shù)，這樣就可以使主線程等待線程池中的函數(shù)結(jié)束后再退出，不會造成次線程不能正確清理分配到的資源。

2.2.2 線程訪問數(shù)據(jù)保護(hù)

在使用多線程時，必須考慮的問題就是數(shù)據(jù)的保護(hù)。因?yàn)槟承┳兞靠赡芡瑫r被多個線程訪問而發(fā)生沖突，導(dǎo)致程序運(yùn)行錯誤。這些變量包括全局變量、動態(tài)分配內(nèi)存的變量和靜態(tài)局部變量。而LabWindows/CVI提供3種數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制：線程鎖、線程安全變量和線程安全隊(duì)列。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中數(shù)據(jù)采集線程和主線程之間有大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，所以選用的是線程安全隊(duì)列。線程安全隊(duì)列是一種在線程間進(jìn)行安全數(shù)組數(shù)據(jù)傳遞的機(jī)制，所以特別適用于在程序中有一個線程生成數(shù)組數(shù)據(jù)、而另外一個線程對數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的情況。線程安全隊(duì)列（TSQ）是一個先進(jìn)先出的隊(duì)列，而且可以響應(yīng)特定的事件。TSQ的工作過程為：（1）在主線程中創(chuàng)建一個TSQ，給它裝載一個寫回調(diào)函數(shù)，并且設(shè)置參數(shù)讓TSQ在寫滿緩沖區(qū)時觸發(fā)事件。（2）在主界面采集命令發(fā)出后，線程池分配一個空閑線程給數(shù)據(jù)采集函數(shù)，這樣，該函數(shù)把獲得的數(shù)據(jù)都寫入TSQ中，假設(shè)TSQ緩沖區(qū)長度被設(shè)置為n，當(dāng)緩沖區(qū)寫滿時，便會觸發(fā)主線程的顯示回調(diào)函數(shù)。（3）在顯示回調(diào)函數(shù)中，主線程將數(shù)據(jù)從TSQ讀出，存放在自定義的數(shù)組中，完成后續(xù)的處理和顯示。這樣，數(shù)據(jù)采集和顯示就會同步進(jìn)行。

2.3 程序控制和數(shù)據(jù)傳輸流程

程序控制和數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2。

圖2 程序控制和數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 結(jié)束語

本文基于LabWindows/CVI這一軟件平臺，設(shè)計(jì)了一種高速的USB2.0系統(tǒng)。運(yùn)用多線程技術(shù)和DLL技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性，降低了系統(tǒng)的成本。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行良好。

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[4]王建新，楊世鳳，隋美麗. LabWindows/CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.