基于VC的USB2.0数据采集系统设计

 引言

　USB(通用串行总线)集中了PCI和RS-232串行总线的优点，具有方便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率，因此，将USB技术应用于数据采集是非常合适的，可以达到数据采集系统的高速度处理。目前，USB已经推出了其协议的2.0版本，速率高达480 Mbit/s。

　　本文研发了一套基于USB接口的数据采集系统，整个系统的设计涉及到硬件、设备固件(Firmware)、USB设备驱动程序及客户应用软件。下面分别加以说明。

　　1 USB接口芯片

　　本文介绍的USB数据采集系统采用了Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013-128AC芯片，它同时集成了8051微控制器和USB2.0收发器，在提高集成度的同时也加快了数据传输的速度。在系统中，CY7C68013-128AC既是数据采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3种型号：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。该系列的芯片都是针对USB2.0的，并且与USB1.1兼容。其中，CY7C68013-128AC是128脚，TPQF封装，功能非常完善，与另外两种相比，主要是增加了16位地址总线和8位数据总线以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可扩展性最好。图1是该芯片的内部结构图。

　　2 USB的固件和驱动程序设计

　　2.1固件

　　固件是储存在程序内存中的代码，它使得USB接口芯片与主机和外设中其他电路能够通信。Cypress公司给出了一个固件库和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51开发的。固件库提供了一些常量、数据结构、宏、函数来简化用户对芯片的使用;固件框架实现了初始化芯片、处理USB标准设备请求以及挂起状态下的电源管理等功能。该框架不添加任何代码，编码后产生的.HEX文件载入芯片就能与主机进行基本的USB通信，只是不能完成特定的任务。对于用户而言，主要的工作就是选择适当的传输方式，添加需要使用的端点(Endpoint)，考虑到本系统要求实现一定数量数据的快速采集，并要迅速地将采集到的数据传输和进行分析处理，并且对数据的完整性要求较高，我们采用了块传输方式(Bulk Transfers)，在TD-Init()函数中添加初始化代码，亦即选择块传输方式和选择端点2、6分别为输出、输入端口，在TD-Poll()函数中添加功能代码，以实现发送和接收数据功能，关键代码分别如下：

　　

 

　　2.2 USB设备驱动程序

　　USB设备驱动程序主要是使操作系统能够识别USB设备，建立起主机端与设备端之间的通信，它们之间的通信是通过Windows提供的API函数实现的，这些函数可以控制显示器、处理信息、访问存储器、读写磁盘和其他设备。

　　

 

　　图2是USB设备驱动程序的整体结构图。

　　

 

　　USB设备驱动的整体结构包括如下5个主要部分：USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。

　　2.2.1 USB应用程序接口

　　USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时，I/O系统就调用该应用程序接口。

　　USB应用程序接口的一个例程主要包含：

　　a)对USB端口安装、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步骤为：将USB设备驱动器安装到I/O系统设备表中，获取USB控制器使用的中断号，初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器，启动USB标准事件处理程序。

　　b)打开USB端口(USB_open())。USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口和选择DMA数据传输方式。

　　c)关闭USB端口(USB_close())。USB_close函数允许应用程序关闭一个端口，并关闭DMA通道。

　　d)对USB端口进行读操作(USB_read())。USB_read函数允许应用程序从输出端口或控制端口读取一定量的数据。

　　e)对USB端口进行写操作(USB_write())。USB_write函数与USB_read函数功能类似，允许应用程序写数据到输入端口或控制端口。

　　f)对USB设备进行I/O控制操作(USB_ioctl())。

　　2.2.2 USB中断服务程序

　　USB控制器产生单一中断，多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK/ERROR中断;输出端口产生接收零字节包或短包中断;控制端口0接收设置包时产生中断;USB控制器产生USB事件中断，如帧起始(SOF)、挂起、恢复和复位。先识别发生USB中断的类型以清除中断产生的条件，再读USB状态寄存器，获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息，最后向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送中断消息。

　　2.2.3 USB标准事件处理程序

　　USB驱动器初始化后，启动USB标准事件处理程序负责处理枚举过程和异步USB事件。事件处理程序使用控制端口0，直到完成枚举过程。当USB应用程序处于非活动状态时，除控制端口0以外端口均不可访问。事件处理程序在端口0上执行控制操作，响应USB标准请求，并负责通知USB应用程序枚举完成和接口活动状态，USB事件通过回调接口传递到USB外设应用程序。当对USB端口枚举操作完成，USB应用程序就可打开并使用USB端口。

　　3客户应用软件

　　开发系统应用软件的底层，需要极好的兼容性和稳定性。对于广大用户而言，与系统的交互是通过应用程序实现的，因此，如何设计出运行效率高、界面友好、稳定性高的应用程序是至关重要的因素。。VC++是开发Windows应用程序的主流开发工具，充分利用它的面向对象特性的C++和功能强大的MFC来开发专业级的应用程序，MFC是一个强大的、扩展的C++类层次结构，它能使开发Windows应用程序变得更加容易，而且在整个Windows家族中都是兼容的。Lab-Windows/CVI是以ANSI c为核心的交互式虚拟仪器开发环境，它将功能强大的C语言与测控技术有机结合，具有灵活的交互式编程方法和丰富的库函数。本设计就是采用Visual C++6.0和LabWindows/CV提供的Graph控件来开发应用程序的，应用程序的主要功能有：打开/关闭USB设备，检测USB设备，实现向USB设备发送指定数量的数据。

　　下面是各部分的一些代码及说明：

　　1)查找、打开USB设备

　　

 

　　2)线程(Thread)

　　线程就是程序中单独顺序的流控制。线程是进程中的实体，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构;它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。图3是线程的状态转换图。

　　

 

　　线程被分为两种：用户界面线程和工作线程(又称为后台线程)。本程序设计主要使用工作线程来执行数据的读写操作等，它与用户界面线程的区别是不用从CWinThread类派生来创建，对它来说最重要的是如何实现工作线程任务的运行控制函数。

　　对于工作线程来说，启动一个线程，首先需要编写一个希望与应用程序的其余部分并行运行的函数，如Fun()，接着定义一个指向CWinThread对象的指针变量*pThread，调用AfxBeginThread(Fun，param，priori-ty)函数，返回值赋给pThread变量的同时启动该线程执行上述Funl()函数，其中Fun是线程要运行的函数的名字，亦即控制函数的名字，param是准备传送给线程函数Fun的任意32位值，priority是定义该线程的优先级别，是预定义的常数，可参考MSDN。

　　本程序设计中的关键代码如下：

　　

 

　　4实例

　　本例中使用了LabWindows/CVI的Graph图形显示控件，用来显示各类信号波形，如普通连续波信号波形、单载频矩形脉冲信号波形、调频(非线性调频)脉冲压缩信号波形和二相编码波形等。图4为各类信号波形图。这些信号均为数据采集系统的测试信号，可由DDS(直接数字频率合成器)芯片AD9858实现。

　　将图4中各类信号波形的频率、宽度、幅度和载频信号频率等参数读出来，分别进行一些计算，将计算出的结果通过USB口传送到DDS来产生波形;其他公共参数如"DDS时钟频率"根据实际采用的时钟频率设置。比如线性调频信号，一般关心的是一个信号的带宽、起始频率和调频斜率这3个值。这3个参数其实就是信号波形中的起始频率fs、终止频率f0和持续时间t，它们是等价的，现在把这些参数的值从测试信号波形中读出来，然后代入下式：DFRRW(8(f0-fs)/t)×231/SCLK。式中：SCLK是DDS的时钟频率，它的值设为1 GHz;DFRRW为步进频率斜率控制字，它的值设为1，代表每8 ns更新一次。最后把计算出的DFTW(步进频率调节字)值通过USB口传送到DDS。

　　

 

　　另外，二相编码的实现是通过控制DDS的POW(相位补偿字)来实现的，通过改变PSO和PS1的值，就可以改变信号的相位，而且相位的改变可以是绝对调相和相对调相。这里使用了4个工作组，其中2个工作组的POW为0，另外2个工作组中的POW为π。将上面测试信号波形中的参数读出来，代人POW=214W/360中，其中W为波形的相位值，再把计算出的POW值通过USB口传送到DDS即可。

　　5结束语

　　本设计中使用的USB2.0作为接口部分，具有接口简单、传输速率高和即插即用等特点;应用程序充分利用VC的MFC框架的比较丰富的资源和LabWin-dows/CVI丰富的库函数，在进行数据采集和控制时，具有界面友好、兼容性和工作可靠、稳定等特点。

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