基于USB总线的实时数据采集系统设计

      基于通用串行总线（USB）的实时数据采集系统的设计严格遵循USB1.1协议，充分体现USB便捷、易扩展、低成本、低干扰的特点。详细介绍系统的USB设备驱动程序、设备固体、应用程序的具体设计。 
       现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在PC或工控机内安装数据采集板卡，如A/D卡及422、485卡。这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。
       通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为了解决传统总线的不足推广的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的数据采集系统充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统数据采集系统的缺陷。
       
1 系统硬件设计
       1.1 硬件总体结构
       USB实时数据采集系统硬件模块包括A/D转换器、微控制器、USB通信接口和多路模拟开关。硬件总体结构如图1所示。

        1.2 USBN9602芯片
       USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一种专用芯片USBN9602。该芯片内部集成微处理器接口、FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎（SIE）、收发器、3.3V电压转换器，支持DMA、微波接口，内部结构如图2所示。

         微控制器通过8位的并行接口传送A/D采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理，其中包括：同步模式识别、并/串转换、位填充/解填充、CRC产生与校验、地址识别、握手响应与产生、USB特殊事件（Reset、Suspend、Resume）检测；最后由收发器通过数据线（D+、D-）传送数据至PC。上述过程严格遵守USB1.1协议。USBN9602与89C52的具体实现电路如图3所示。
       
2 系统软件设计
       系统软件包括USB设备驱动程序、设备固件、应用程序。
       2.1 USB设备驱动程序开发

       USB系统驱动程序采用分层结构模型：较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线驱动程序模块（USBD）和较低级的主控制器驱动程序模块（HCD）。它们的层次关系如图4所示。
       在上述USB分层模块中，USB函数层（USBD及HCD）由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信；加载及卸载USB驱动程序；与USB设备通用端点（endpoint）建议通信来执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。
       目前Windows98提供了多种USB设备驱动程序，但并不针对实时数据采集设备，因此需采用DDK开发工具设计专用的USB设备驱动程序。可以由四个模块实现：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能实现模块。
       初始化模块提供一个DriverEntry入口点来执行大量的初始化函数。

        即插即用管理模块实现USB设备的热插拔及动态配置。当硬件检测到USB设备接入时，Winodws98查找响应的驱动程序，并调用它的DriverEntry例程，PnP管理器调用驱动程序的AddDevice例程，告诉它添加了一个设备；然后，驱动程序为USB设备建立一个FDO（功能设备对象），在此处理过程中，驱动程序收到一个IRP_MN_START_DEVICE的IRP，包括设备分配的资源信息。至此，设备被正确配置，驱动程序开始与硬件进行对话。当然，在设备运行过程中，如果设备的状态发生变化（拔除、暂停等），PnP管理器也同样发出相应的IRP，由驱动程序进行相应的处理。
       电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。
       I/O功能实现模块完成I/O请求的大部工作。当应用程序提出I/O请求时，它调用Win32 API函数DeviceIoControl来向设备发出命令。然后，由I/O管理器构成一个IRP并设置其MajorFunction域为IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。USB设备驱动程序收到该IRP后，取出其中的控制码，并利用一个开关语句来找到对应的例程入口。
       2.2 设备固件（firmware）设计
       设备固件是设备运行的核心，采用汇编语言设计。其主要功能是控制芯片USB9602接受并处理USB驱动程序的请求（如请求设备描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等供10种USB1.1标准请求）；控制芯片USB962接受应用程序的控制指令；控制A/D模块的数据采集；通过USB9602存储数据并实时上传PC。其程序主框图如图5所示。
       在图5中，ALT事件表示硬件检测到USBN96902处于下列状态：Reset、Resume、Suspend，由ALTEV寄存器汇报并产生中断。

       2.3 应用程序设计
       PC机或工控机应用程序是数据实时采集系统的中心，采用Visual C++ 5.0编程。其功能主要有：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道（pipe）、设置A/D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。USB程序主框图如图6所示。
       由于USB9602提供的FIFO不超过64字节，当FIFO存满后，USB9602自动将数据打包即时请求读入数据，由SIE自动发送数据包。程序获得数据后，需延迟至下组数据包准备完毕，从而保证程序与设备采集频率同步。另外，当系统启动A/D模块后程序持续执行，并采用多线程编程发出停止采集和关闭USB设备的命令。

 
3 基于USB总线的数据实时采集系统特点
       基于USB总线的数据实时采集系统设计上严格遵循USB1.1协议，其性能特点如下：
       （1）安装方便，支持即插即用。安装时可在不关机不打开机箱的情况下将设备插入USB插槽，运行驱动程序即可，以后可直接对设备热插拔。
       （2）易扩展。最第传输距离5m，采用Hub或中继器可达30m；最多对外可接127个设备。
       （3）供电方便。USB总线直接利用主机电源为外设提供最大5V 500mA的电流，系统无需另备电源。
       （4）电源干扰影响极小。由于本产品放置在计算机机箱外，不受箱内的板间电源干扰。如在电磁干扰较严重的环境下，可以为该产品专门设计屏蔽方案。
       （5）性价比高。远优于传统的实时数据采集系统。
       （6）实时采集，实时显示。
                                                                                        编辑:何世平