0 引言
隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙測(cè)、遙感等領(lǐng)域。而在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上通常使用串口或并口來發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多的資源，傳統(tǒng)的接口一般采用PCI總線或RS-232串行總線。PCI總線有較高的傳輸速率，可達(dá)132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴(kuò)充槽有限且插拔不方便；RS-232串行總線連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數(shù)據(jù)和傳送大量數(shù)據(jù)。USB(通用串行總線)集中了PCI和RS-232串行總線的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)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(dá)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件、設(shè)備固件(Firmware)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)集成了8051微控制器和USB2.0收發(fā)器，在提高集成度的同時(shí)也加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｔ谙到y(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(hào)：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對(duì)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(kuò)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(dòng)程序設(shè)計(jì)
2.1固件
固件是儲(chǔ)存在程序內(nèi)存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機(jī)和外設(shè)中其他電路能夠通信。Cypress公司給出了一個(gè)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(duì)芯片的使用；固件框架實(shí)現(xiàn)了初始化芯片、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)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(jī)進(jìn)行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對(duì)于用戶而言，主要的工作就是選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞剑砑有枰褂玫亩它c(diǎn)(Endpoint)，考慮到本系統(tǒng)要求實(shí)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(jìn)行分析處理，并且對(duì)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(diǎn)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(shí)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(dòng)程序
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別USB設(shè)備，建立起主機(jī)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(shí)現(xiàn)的，這些函數(shù)可以控制顯示器、處理信息、訪問存儲(chǔ)器、讀寫磁盤和其他設(shè)備。
圖2是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體結(jié)構(gòu)圖。
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)包括如下5個(gè)主要部分：USB應(yīng)用程序接口、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)、USB中斷服務(wù)程序、USB回調(diào)接口程序、USB標(biāo)準(zhǔn)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(duì)USB驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時(shí)，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(gè)例程主要包含：
a)對(duì)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(dòng)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(hào)，初始化USB驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與USB端口狀態(tài)寄存器，啟動(dòng)USB標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。
d)對(duì)USB端口進(jìn)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(duì)USB端口進(jìn)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(duì)USB設(shè)備進(jìn)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(gè)端口共享。每個(gè)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(shí)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(shí)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(dāng)前配置、接口或幀起始時(shí)間戳狀態(tài)信息，最后向USB控制器消息隊(duì)列或回調(diào)函數(shù)的接收消息隊(duì)列發(fā)送中斷消息。
