基于USB TMC協議的數據通信研究與實現

耿增濤，楊杰敏，董占勇

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基于USB TMC協議的數據通信研究與實現

耿增濤1，楊杰敏1，董占勇2

（1.青島港科技有限公司，青島 266000；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，青島 266000）

介紹了基于Slave FIFO模式的USB接口測量儀器的數據通信的原理，探討了USB TMC協議及其子協議在某USB接口的港機設備診斷測量儀器中的實現過程。經驗證，這種數據通信方法可使得基于USB接口的數據交互快速、高效，并可通過統一的VISA庫函數方便快捷地為用戶提供程控功能，具有較強的通用性。

USB TMC協議; Slave FIFO; VISA; USB接口;測量儀器

0 引言

USB接口數據通信模塊是基于USB接口程控的測量診斷類儀器的重要組成部分，須滿足高速度、大數據量、高頻率的數據傳輸。為了方便與其他儀器組系統時數據通信使用統一的接口，必須實現對VISA庫的支持。為實現上述要求，USB數據通信方式采用了塊傳輸和控制傳輸結合的模式，并實現了通用串行總線測試測量類協議（USBTMC）及其子協議（USBTMC-USB488），具有較高的實用性和通用性。

1 USB接口數據通信過程

1.1 Slave FIFO模式的數據通信

本文描述的某港機設備故障診斷儀器采用高性能低功耗的DSP芯片TMS320C6747作為主控芯片，采用小體積封裝的Cypress公司CY7C68014A為USB控制芯片。

考慮到對數據實時性要求以及程序升級等因素，USB功率探頭采用了USB控制芯片內置CPU利用率很高的傳輸模式：Slave FIFO。該模式使外部主機和DSP處理器讀寫端點FIFO緩沖區，不需要USB控制芯片內部的CPU干預，提高了數據傳輸效率。CY7C68014A通過CPLD與DSP的連接框圖，如圖1所示。

圖1 USB控制芯片與DSP連接框圖

本設計配置兩個端點：端點2為OUT端點，用于接收主機發給DSP的命令數據；端點6為IN端點，用于接收DSP發給主機的測量和配置參數數據。FLAGA-FLAGD引腳用于標記FIFO的狀態，本設計將FLAGA引腳配置為端點2的空標志，FLAGB引腳端點6的滿標志。這些配置在USB控制芯片的固件程序中完成[1]。

1.2 USB通用協議分析

USB通用協議定義了USB總線體系結構、USB數據流模型、USB總線機械特性、電器特性、協議定義、USB設備架構、編程接口以及其他設計所需要的特性。一個完整的USB系統分為主機、USB設備和主機與設備的連接3部分[2]。在本文中主機是連接港機設備故障診斷儀器的筆記本電腦，其主要作用是檢測USB設備的插入拔出，管理數據流，對設備進行必要的控制，查詢設備狀態信息和對USB設備供電等。下述為一個USB系統完整的系統結構，如圖2所示。

圖2 USB完整系統結構圖

2 USBTMC協議

USB通用協議格式可以實現通用基本的USB數據通信，但使用通用的協議需要用戶安裝自定義的設備驅動，不能與其他儀器測量設備方便地兼容。本設計采用的是專門針對測試測量儀器儀表的一類USB協議：USBTMC（USB Test and Measurement Class）協議。

一個完整的USB傳輸事務中，USBTMC協議的令牌階段和握手階段數據格式符合USB通用協議規范，但在數據階段的數據包中增加了數據頭。在BULK-OUT端點傳輸數據時，數據前要增加12位數據頭[3]，如表1所示。

表1 BULK-OUT端點USBTMC協議數據頭格式

不同的MsgID值有不同的命令消息細節格式，BULK-OUT端點數據均為下行數據，即主機向USB控制器發送的數據，在USB功率探頭系統中，多為主機向功率探頭發送的程控命令數據。BULK-IN端點的數據格式與BULK-OUT端點類似，只是具體的數據位定義不同，在此不再累述。

3 USB功率探頭數據通信的實現

3.1 固件程序

USB固件程序存在于USB控制芯片的EEPROM中，它控制著USB通信的整個過程。在固件程序中通過設置芯片各個寄存器的值來配置芯片引腳、時鐘、工作模式等。USB控制芯片的啟動采用“重列舉”的軟配置模式，其列舉過程如下：

（1）調用用戶初始設置函數TD_Init()，設置USB接口為未配置狀態，使能中斷。

（2）在一段時間間隔內，若未收到SETUP令牌包，開始重新枚舉設備。

（3）一旦檢測到SETUP令牌包，固件架構啟動工作分配器，這個工作分配器按順序重復執行如下工作：首先調用用戶函數TD_Poll()，判斷設備控制傳輸請求是否為未定的，如果不是，解析命令請求，加以響應。然后判斷USB內核報告了USB中止事件，若確定中止調用用戶函數TD_Suspend()。若返回成功，則測試回復事件，反之，將微處理器放入中止模式，當檢測到回復事件時，調用TD_Resume()[4,5]。

在固件程序中，定義了USB設備各種描述符來對USB設備進行配置。設備描述符定義了設備總體信息，其中的PID、VID的定義即為“重列舉”過程中第二次列舉到的信息。接口描述符定義了設備各個接口的特點，包括端點數量，使用的設備類和子類等，本設計中只定義了一個接口，３個端點，端點２為OUT端點，端點６為IN端點，端點１為中斷IN端點。并且定義了接口使用設備類為USBTMC（代碼0xFE）。

3.2 DSP端的實現

DSP端完成了設備運行數據采集、運算等所有數據操作，設置單獨的線程查詢主機的程控命令。當主機有數據發送，DSP檢測到FLAGA標志的置位，接收主機發送來的命令數據。當解析執行完命令，接收到返回數據命令之后，按USBTMC命令的BULK-IN數據頭格式加載數據頭，然后通過端點6發送給主機端。

3.3 主機端的數據發送

若主機端采用Windows系列操作系統，且安裝了支持USBTMC類設備的VISA庫，插入USB診斷測量設備之后，系統將自動識別。用戶只需要調用VISA提供的接口函數就可以對USB功率探頭進行相關操作，這樣，不同的硬件接口可以使用統一API函數調用。主機端應用程序調用VISA庫控制儀器的基本流程如下：

通過viFindRsrc()函數查詢插在USB接口上的USBTMC設備。

通過viOpen()函數打開USB功率探頭。

通過viWrite()函數、viRead()函數、viQueryf()函數進行程控命令發送、讀取等操作。

通過viClose()函數關閉設備。

3.4 實現效果與驗證

主機端安裝了支持USBTMC的VISA庫，系統自動將插入的USB診斷測量設備識別為USB Test & Measurement Class設備，如圖3所示。

圖3 硬件管理器效果

經測試，使用Slave FIFO傳輸模式使得USB設備單次讀數時間小于4ms，達到250讀數/s的傳輸速率，完全滿足了設備故障診斷儀器要求。

4 總結

本文介紹了基于Slave FIFO模式的USB數據傳輸過程并分析了USB通用協議，詳細分析了USBTMC協議的數據格式，在此基礎上實現了USB接口的數據通信。經驗證，該方法滿足了USB接口港機設備診斷測量儀器基大數據量、高頻率、實時響應的要求，并從便捷性和兼容性上都取得了理想效果。

[1] 薛園園. USB應用開發技術大全[M]. 北京：人民郵電出版社, 2007

[2] Universal Serial Bus Specification[EB/OL].http://www. usb.org /developers/docs/

[3] Universal Serial Bus Test and Measurement Class Specification (USBTMC) [EB/OL].USB Implementers Forum, Inc.2003

[4] [Universal Serial Bus Test and Measurement Class, Subclass USB488 Specification (USBTMC-USB488) [EB/OL].USB Implementers Forum, Inc. 2003

[5] 錢仇圣,王宜懷.基于MCF52223的多功能USB數據采集系統的設計[J].計算機應用,2010,30(01):277- 279

[6] 基于USB2.0接口的高速數據流傳輸系統的設計[J] .微型電腦應用,2005,21(1):25-28

Study and Implementation of Data Communication Based on USB TMC Protocol

Geng Zengtao1, Yang Jiemin1, Dong Zhanyong2

(1.Qingdao Port International Co.,Ltd,Qingdao,Shandong 266000,China;2.The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Qingdao,Shandong 266000,China)

This paper discusses the principle of data communication of USB interface measuring instruments based on the Slave FIFO mode. It also introduces the USB TMC protocol and its sub-protlcol in the application of the USB interface measuring instruments. It has been proved that this data communication approach could make data interaction based on USB fast and efficient, and conveniently provide users with programmable function via unifying VISA library function and with high commonality.

USB TMC protocol; Slave FIFO; VISA; USB interface; Measuring instruments

1007-757X(2016)12-0031-03

TP368

A

耿增濤（1981-），男，山東東營人，碩士，高級工程師，研究方向：計算機應用、嵌入式系統、人工智能技術，青島 266000

楊杰敏（1971-），男，山東煙臺人，博士，高級工程師，研究方向：計算機控制、數據挖掘、數據庫技術，青島 266000

董占勇（1980-），男，山東德州人，碩士，研究方向：計算機控制、嵌入式系統、數據庫技術，青島 266000

（2016.06.21）