引言

USB(通用串行總線)集中了PCI和RS-232串行總線的優(yōu)點，具有方便的即插即用和熱插拔特性以及較高的傳輸速率，因此，將USB技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集是非常合適的，可以達到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速度處理。目前，USB已經(jīng)推出了其協(xié)議的2.0版本，速率高達480 Mbit/s。

本文研發(fā)了一套基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的設(shè)計涉及到硬件、設(shè)備固件(Firmware)、USB設(shè)備驅(qū)動程序及客戶應(yīng)用軟件。下面分別加以說明。

1 USB接口芯片

本文介紹的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013-128AC芯片，它同時集成了8051微控制器和USB2.0收發(fā)器，在提高集成度的同時也加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。在系統(tǒng)中，CY7C68013-128AC既是數(shù)據(jù)采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3種型號：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對USB2.0的，并且與USB1.1兼容。其中，CY7C68013-128AC是128腳，TPQF封裝，功能非常完善，與另外兩種相比，主要是增加了16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可擴展性最好。圖1是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

2 USB的固件和驅(qū)動程序設(shè)計

2.1固件

固件是儲存在程序內(nèi)存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機和外設(shè)中其他電路能夠通信。Cypress公司給出了一個固件庫和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51開發(fā)的。固件庫提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏、函數(shù)來簡化用戶對芯片的使用;固件框架實現(xiàn)了初始化芯片、處理USB標準設(shè)備請求以及掛起狀態(tài)下的電源管理等功能。該框架不添加任何代碼，編碼后產(chǎn)生的.HEX文件載入芯片就能與主機進行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對于用戶而言，主要的工作就是選擇適當?shù)膫鬏敺绞?，添加需要使用的端點(Endpoint)，考慮到本系統(tǒng)要求實現(xiàn)一定數(shù)量數(shù)據(jù)的快速采集，并要迅速地將采集到的數(shù)據(jù)傳輸和進行分析處理，并且對數(shù)據(jù)的完整性要求較高，我們采用了塊傳輸方式(Bulk Transfers)，在TD-Init()函數(shù)中添加初始化代碼，亦即選擇塊傳輸方式和選擇端點2、6分別為輸出、輸入端口，在TD-Poll()函數(shù)中添加功能代碼，以實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)功能，關(guān)鍵代碼分別如下：

2.2 USB設(shè)備驅(qū)動程序

USB設(shè)備驅(qū)動程序主要是使操作系統(tǒng)能夠識別USB設(shè)備，建立起主機端與設(shè)備端之間的通信，它們之間的通信是通過Windows提供的API函數(shù)實現(xiàn)的，這些函數(shù)可以控制顯示器、處理信息、訪問存儲器、讀寫磁盤和其他設(shè)備。

圖2是USB設(shè)備驅(qū)動程序的整體結(jié)構(gòu)圖。

USB設(shè)備驅(qū)動的整體結(jié)構(gòu)包括如下5個主要部分：USB應(yīng)用程序接口、USB設(shè)備驅(qū)動函數(shù)、USB中斷服務(wù)程序、USB回調(diào)接口程序、USB標準事件處理程序。

2.2.1 USB應(yīng)用程序接口

USB應(yīng)用程序接口主要功能是對USB驅(qū)動器進行軟硬件初始化、打開端口、關(guān)閉端口、讀端口、寫端口和端口控制操作。當設(shè)備驅(qū)動器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時，I/O系統(tǒng)就調(diào)用該應(yīng)用程序接口。

USB應(yīng)用程序接口的一個例程主要包含：

a)對USB端口安裝、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步驟為：將USB設(shè)備驅(qū)動器安裝到I/O系統(tǒng)設(shè)備表中，獲取USB控制器使用的中斷號，初始化USB驅(qū)動器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與USB端口狀態(tài)寄存器，啟動USB標準事件處理程序。

b)打開USB端口(USB_open())。USB_open函數(shù)允許應(yīng)用程序打開一個USB端口和選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。

c)關(guān)閉USB端口(USB_close())。USB_close函數(shù)允許應(yīng)用程序關(guān)閉一個端口，并關(guān)閉DMA通道。

d)對USB端口進行讀操作(USB_read())。USB_read函數(shù)允許應(yīng)用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數(shù)據(jù)。

e)對USB端口進行寫操作(USB_write())。USB_write函數(shù)與USB_read函數(shù)功能類似，允許應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)到輸入端口或控制端口。

f)對USB設(shè)備進行I/O控制操作(USB_ioctl())。

2.2.2 USB中斷服務(wù)程序

USB控制器產(chǎn)生單一中斷，多個端口共享。每個端口產(chǎn)生ACK、NACK/ERROR中斷;輸出端口產(chǎn)生接收零字節(jié)包或短包中斷;控制端口0接收設(shè)置包時產(chǎn)生中斷;USB控制器產(chǎn)生USB事件中斷，如幀起始(SOF)、掛起、恢復(fù)和復(fù)位。先識別發(fā)生USB中斷的類型以清除中斷產(chǎn)生的條件，再讀USB狀態(tài)寄存器，獲取當前配置、接口或幀起始時間戳狀態(tài)信息，最后向USB控制器消息隊列或回調(diào)函數(shù)的接收消息隊列發(fā)送中斷消息。

2.2.3 USB標準事件處理程序

USB驅(qū)動器初始化后，啟動USB標準事件處理程序負責處理枚舉過程和異步USB事件。事件處理程序使用控制端口0，直到完成枚舉過程。當USB應(yīng)用程序處于非活動狀態(tài)時，除控制端口0以外端口均不可訪問。事件處理程序在端口0上執(zhí)行控制操作，響應(yīng)USB標準請求，并負責通知USB應(yīng)用程序枚舉完成和接口活動狀態(tài)，USB事件通過回調(diào)接口傳遞到USB外設(shè)應(yīng)用程序。當對USB端口枚舉操作完成，USB應(yīng)用程序就可打開并使用USB端口。

3客戶應(yīng)用軟件

開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的底層，需要極好的兼容性和穩(wěn)定性。對于廣大用戶而言，與系統(tǒng)的交互是通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，因此，如何設(shè)計出運行效率高、界面友好、穩(wěn)定性高的應(yīng)用程序是至關(guān)重要的因素。。VC++是開發(fā)Windows應(yīng)用程序的主流開發(fā)工具，充分利用它的面向?qū)ο筇匦缘腃++和功能強大的MFC來開發(fā)專業(yè)級的應(yīng)用程序，MFC是一個強大的、擴展的C++類層次結(jié)構(gòu)，它能使開發(fā)Windows應(yīng)用程序變得更加容易，而且在整個Windows家族中都是兼容的。Lab-Windows/CVI是以ANSI c為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它將功能強大的C語言與測控技術(shù)有機結(jié)合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫函數(shù)。本設(shè)計就是采用Visual C++6.0和LabWindows/CV提供的Graph控件來開發(fā)應(yīng)用程序的，應(yīng)用程序的主要功能有：打開/關(guān)閉USB設(shè)備，檢測USB設(shè)備，實現(xiàn)向USB設(shè)備發(fā)送指定數(shù)量的數(shù)據(jù)。

下面是各部分的一些代碼及說明：

1)查找、打開USB設(shè)備

2)線程(Thread)

線程就是程序中單獨順序的流控制。線程是進程中的實體，一個進程可以擁有多個線程，一個線程必須有一個父進程。線程不擁有系統(tǒng)資源，只有運行必須的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);它與父進程的其他線程共享該進程所擁有的全部資源。圖3是線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

線程被分為兩種：用戶界面線程和工作線程(又稱為后臺線程)。本程序設(shè)計主要使用工作線程來執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫操作等，它與用戶界面線程的區(qū)別是不用從CWinThread類派生來創(chuàng)建，對它來說最重要的是如何實現(xiàn)工作線程任務(wù)的運行控制函數(shù)。

對于工作線程來說，啟動一個線程，首先需要編寫一個希望與應(yīng)用程序的其余部分并行運行的函數(shù)，如Fun()，接著定義一個指向CWinThread對象的指針變量*pThread，調(diào)用AfxBeginThread(Fun，param，priori-ty)函數(shù)，返回值賦給pThread變量的同時啟動該線程執(zhí)行上述Funl()函數(shù)，其中Fun是線程要運行的函數(shù)的名字，亦即控制函數(shù)的名字，param是準備傳送給線程函數(shù)Fun的任意32位值，priority是定義該線程的優(yōu)先級別，是預(yù)定義的常數(shù)，可參考MSDN。

本程序設(shè)計中的關(guān)鍵代碼如下：

4實例

本例中使用了LabWindows/CVI的Graph圖形顯示控件，用來顯示各類信號波形，如普通連續(xù)波信號波形、單載頻矩形脈沖信號波形、調(diào)頻(非線性調(diào)頻)脈沖壓縮信號波形和二相編碼波形等。圖4為各類信號波形圖。這些信號均為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試信號，可由DDS(直接數(shù)字頻率合成器)芯片AD9858實現(xiàn)。

將圖4中各類信號波形的頻率、寬度、幅度和載頻信號頻率等參數(shù)讀出來，分別進行一些計算，將計算出的結(jié)果通過USB口傳送到DDS來產(chǎn)生波形;其他公共參數(shù)如"DDS時鐘頻率"根據(jù)實際采用的時鐘頻率設(shè)置。比如線性調(diào)頻信號，一般關(guān)心的是一個信號的帶寬、起始頻率和調(diào)頻斜率這3個值。這3個參數(shù)其實就是信號波形中的起始頻率fs、終止頻率f0和持續(xù)時間t，它們是等價的，現(xiàn)在把這些參數(shù)的值從測試信號波形中讀出來，然后代入下式：DFRRW(8(f0-fs)/t)×231/SCLK。式中：SCLK是DDS的時鐘頻率，它的值設(shè)為1 GHz;DFRRW為步進頻率斜率控制字，它的值設(shè)為1，代表每8 ns更新一次。最后把計算出的DFTW(步進頻率調(diào)節(jié)字)值通過USB口傳送到DDS。

另外，二相編碼的實現(xiàn)是通過控制DDS的POW(相位補償字)來實現(xiàn)的，通過改變PSO和PS1的值，就可以改變信號的相位，而且相位的改變可以是絕對調(diào)相和相對調(diào)相。這里使用了4個工作組，其中2個工作組的POW為0，另外2個工作組中的POW為π。將上面測試信號波形中的參數(shù)讀出來，代人POW=214W/360中，其中W為波形的相位值，再把計算出的POW值通過USB口傳送到DDS即可。

5結(jié)束語

本設(shè)計中使用的USB2.0作為接口部分，具有接口簡單、傳輸速率高和即插即用等特點;應(yīng)用程序充分利用VC的MFC框架的比較豐富的資源和LabWin-dows/CVI豐富的庫函數(shù)，在進行數(shù)據(jù)采集和控制時，具有界面友好、兼容性和工作可靠、穩(wěn)定等特點。