【正文】 來越多的廠商所支持和推崇，也將應(yīng)用到更廣的領(lǐng)域，市場上國內(nèi)的主要產(chǎn)品有北京優(yōu)采公司 UA300 系列、四川拓普公司的 UDAQ、 UBOX、 UCARD 等系列。 總而言之，目前國內(nèi)對(duì) USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研制己經(jīng)取得了可喜的發(fā)展，但是與國外相比，在開發(fā)和應(yīng)用的深度和廣度而言，還有一段距離，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要求比較高的場合多是采用的國外產(chǎn)品。 USB 設(shè)備支持即插即用，安裝 USB 設(shè)備不必開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備，完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。每個(gè) USB 主機(jī)通過 USB 集線器，可以同時(shí)掛接最多個(gè)外圍設(shè)備，有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) I/O 口不夠用的問題。 4)有總線電源保護(hù)。 6)支持四種傳輸模式 。對(duì)于一般的應(yīng)用場合，這一距離已經(jīng)基本能夠滿足用戶的需求，但 USB 接口引入特殊的應(yīng)用場合時(shí)便顯得有些力不從心。在課題研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以形何形式的 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 3)完成 USB 固件程序的開發(fā)，研究基于 USB 總線接口的設(shè)備固件程方法。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 基于 USB 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 基于 USB 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩部分 :系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。采集系統(tǒng)收到命令后，根據(jù)所接收的設(shè)置開始對(duì)外部的模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 變換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由 USB 傳輸至計(jì)算機(jī)，在用戶程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)的接收、存儲(chǔ) 和 顯示。實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集，多通道輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過 A/D 的多通道數(shù)據(jù)選擇并轉(zhuǎn)換 ，由 USB 接口控制芯片的 IN 端點(diǎn)讀入緩沖區(qū)，再由其 OUT 端點(diǎn)輸出至 PC 機(jī)。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分一共包括三部分 :芯片的固件程序、設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和用戶界面程序，這三部分的層次關(guān)系如圖 所示 : 圖 系統(tǒng)軟件的層次圖 USB 固件程序是 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中處于最底層的設(shè)備端。 USB 驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工具有DDK(Driver Development Kit)和 DriverWorks，系統(tǒng)中的 USB 驅(qū)動(dòng)程序是DriverWorks 開發(fā)的，利用 VC++ 的強(qiáng)大編程平臺(tái)， 為用戶界面程序提供了控?cái)?shù)據(jù)采集固件程序驅(qū)動(dòng)程序界面程序傳感器 1傳感器 2傳感器 8A / D MCU + U SB PC多通道數(shù)據(jù)選擇天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 制 USB 接口芯片的句柄。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章主要完成 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括 多通道 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 主控制器 (C8051F320)外圍電路設(shè)計(jì)C8051F320 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD0809 的連接、電源設(shè)計(jì)部分等。這類控制器是為 USB 應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的芯片，能夠使 USB 的應(yīng)用達(dá)到最優(yōu)化。 3)需要外部微處理器接口的芯片。無需外部電阻 ,該芯片性價(jià)比較高。支持 USB 和UART 操作 外部振蕩器：晶體、 RC、 C、或外部時(shí) 鐘 可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源，適用于節(jié)電方式。該 FIFO 空間被分配給端點(diǎn) 03；端點(diǎn) 13 的 FIFO 可以被配置為輸入（ IN）、輸出（ OUT）或輸入 /輸出（分割模 式）。外部振蕩器也可以與 4 倍時(shí)鐘乘法器配合使用來產(chǎn)生 USB 時(shí)鐘。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 USB 控制器原理框圖 USB 控制芯片 及其 外圍 電路設(shè)計(jì) 圖 USB 控制器 電路圖 D5VDD612GND3D+4REGIN7VBUS8RES/C2CLK910151716181920212223242526272829303132C8051F32011121314C8051F342/3/6/7U3C8051F320GNDD+DVDDVREVBUSRST C171KR9S3VDD12P10C20C211 2Y1XTALC18C1910MR8 12P712P8C11C121uFC131uFC14VDD123P11VBUS1D2D+3GND4shell5shell62USBVBUS天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 顯示模塊 顯示系統(tǒng)是單片機(jī)不可或缺的環(huán)節(jié)，它為單片機(jī)提供了直觀的觀察環(huán)境?？梢燥@示 84 行 1616 點(diǎn)陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。其中： A 為數(shù)據(jù)傳送方向控制： H 表示數(shù)據(jù)從 LCD 到 MCU， L 表示數(shù)據(jù)從 MCU 到 LCD； B 為 數(shù)據(jù)類型選擇： H表示數(shù)據(jù)是顯示數(shù)據(jù)。 電路中采用 的 LDO 芯片，能提供最大 500MA 的電路，完全可以滿足電路的基本功能。 （ 1）固件與報(bào)表 設(shè)備的描述符必須識(shí)別設(shè)備為一個(gè) HID 設(shè)備，除了缺省的控制流程，固件必須支持中斷 IN 端點(diǎn)。 HID設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須有一個(gè)定義過的報(bào)表格式，在報(bào)表里描述了數(shù)據(jù)的大小和內(nèi)容。特征報(bào)表總是使用控制傳輸。它定義了執(zhí)行設(shè)備功能的數(shù)格式和使用方法，需要有足夠的靈活度，其格式應(yīng)該簡單，這樣當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)就不會(huì)占用太多的存儲(chǔ)空間和總線時(shí)間。所有的 HID 必須支持 Get_RePort 請(qǐng)求，所有引導(dǎo)設(shè)備都必須支持Get_Protocol 和 Set_Protocol 請(qǐng)求，其他請(qǐng)求是可選的。對(duì)于有多于一個(gè)描述符的設(shè)備是可選的 11 wDescriptorLength 2 描述符的長度，對(duì)于有多于一個(gè)描述符的設(shè)備是可選的 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 表 HID 特定請(qǐng)求 (4)數(shù)據(jù)傳輸 當(dāng)枚舉完成以后，主機(jī)識(shí)別設(shè)備為 HID 設(shè)備，建立支持端點(diǎn)的流程，并知道了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所使用的報(bào)表格式。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)到主機(jī)時(shí) :在一個(gè)中斷或控制傳輸中，發(fā)據(jù)。當(dāng)從主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí) :芯片的結(jié)構(gòu)和描述符決定了設(shè)備的中斷 OUT 流程是否可用。如果設(shè)備沒有中斷 OUT請(qǐng)求號(hào) 請(qǐng)求 數(shù)據(jù)源 值 指針 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù) 是否需要 01h Get_Report 設(shè)備 報(bào)表 ID 中斷 報(bào)表長度 報(bào)表 是 02h Get_Idle 設(shè)備 報(bào)表 ID 中斷 1 閑置時(shí)間 否 03h Get_Protocol 設(shè)備 0 中斷 1 協(xié)議 引導(dǎo)設(shè)備需要 04h Set_Report 主機(jī) 報(bào)表 ID 中斷 報(bào)表長度 報(bào)表 否 05h Set_Idle 主機(jī) 閑置時(shí)間 中斷 0 無 否 06h Set_Protocol 主機(jī) 協(xié)議 中斷 0 無 引導(dǎo)設(shè)備需要 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 端點(diǎn)，則固件必須檢測 Set_Report 控制請(qǐng)求并處理請(qǐng)求里的報(bào)表數(shù)據(jù)。 圖 l)設(shè)備的接入 當(dāng) USB 總線設(shè)備連接到總線上時(shí)，它雖然被供電了，但這時(shí)它并不起任何作用，而是在等待著總線復(fù)位。當(dāng)主機(jī)收到描述符后，它就會(huì)給該設(shè)備分配一個(gè)新的 USB 地址。具體過程見圖 所示。 C8051F320 USB 固件程序 是固件運(yùn)行的主程序文件，負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種 USB 設(shè)備請(qǐng)求，里面包含著函數(shù)的實(shí)現(xiàn)的代碼。 //使自供電無效 GotSUD=FALsE。 PDevieeQualDser=(WORD)amp。 PFullSPeedConfigDser=(WORD)amp。 ???????? 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 設(shè)備描述符重新定位以后， CY7C68O13 循環(huán)調(diào)用源代碼，如果有 Setup 包則執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)，否則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送函數(shù)。其初始化工作主要完成以下內(nèi)容 : ①設(shè)置的 CPU 的時(shí)鐘頻率和 slaveFIFO 接口時(shí)鐘頻率，均為 48MHz ②設(shè)置傳輸方式為 BULK 方式，并設(shè)置相關(guān)的端點(diǎn)的傳輸方向其程序代碼如下 : Void TD_Init(void) //開始時(shí)調(diào)用 { //設(shè)置 CPU 的時(shí)鐘為 48MHz CPUCS=((CPUCSamp。 //EP1 為 bulk 傳輸方式，方向 :輸出 EPImCFG=OxE2。 EP4CFG=0x20。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 EPSCFG=0x20。 EPZBCL=0x80。 //使能遠(yuǎn)程喚醒 } 2)TDPoll()函數(shù) TDPoll()函數(shù)是用戶自己要實(shí)現(xiàn)功能函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將數(shù)據(jù)寫入輸出端點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)，等待 PC 機(jī)的讀取。 Addr=MEMORY。EP2FIFOBUF): AUTOPTRLI=LSB(amp。 OUT6BUF[11=addr[i]。 //重新配置 EP2 } 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 在 TD_poll()函數(shù)中執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)傳輸程序，首先判斷緩沖區(qū)是否滿標(biāo)志，如果不滿，則開始讀取 8 位數(shù)據(jù)，也就是刀 D 的數(shù)據(jù)，并把緩沖區(qū)的地址指針加 1，保證數(shù)據(jù)不會(huì)被后來的數(shù)據(jù)覆蓋，并保存在下一個(gè)地址中。數(shù)據(jù)讀取函數(shù)名Read_data(void)，主要完成 C8051F320 將 AD0809 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)讀進(jìn)來，其程序?yàn)?: Read_data(void) //讀 AD 的轉(zhuǎn)換結(jié)果 . { PA3=0。 if(flag!=512) { //檢查 EPZ 數(shù)據(jù)是否沒滿 AUTOPTRHI=MSB(amp。 addr[flag]=PB。 SYNCDELAY。 } 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 主機(jī)與外設(shè)通過 USB 接口的通信是通過驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。 USB 總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須遵循由 Microsoft 為 Windows98 及其以后版本所定義的 Win32 驅(qū)動(dòng)程序模型。一個(gè) WDM 驅(qū)動(dòng)程序可以允許或否定一個(gè)應(yīng)用程序?qū)σ粋€(gè)設(shè)備提出的訪問。 PCI總線驅(qū)動(dòng)程序枚舉和配置 PCI 總線上的設(shè)備。 USB總線客戶驅(qū)動(dòng)程序可以通過使用 IOCTL，由 USB 類驅(qū)動(dòng)程序來訪問 USB 總線設(shè)備。 是根集線器和外部集線器的 USB 總線驅(qū)動(dòng)程序。圖 是 WDM 分層結(jié)構(gòu)的示意圖。功能驅(qū)動(dòng)程序就是通常意義上所說的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。有設(shè)備堆棧，設(shè)備堆棧指導(dǎo)著如何一層一層向下傳遞 IRP。開發(fā)人員可以在 DriverEniry 里加入自己的初始化代碼。通過設(shè)備鏈接名或接口，應(yīng)用軟件可以訪問設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序僅依靠創(chuàng)建 URB(USB 請(qǐng)求塊 )，并把 URB 提交到總線驅(qū)動(dòng)程序來完成硬件操作。然后它讀 取設(shè)備內(nèi)的設(shè)備描述符以查明插入的是何種設(shè)備，描述符中的廠商和產(chǎn)品FiDOFiDOFD OFD OIRP上層過濾驅(qū)動(dòng)程序功能驅(qū)動(dòng)程序下層過濾驅(qū)動(dòng)程序總線驅(qū)動(dòng)程序天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 標(biāo)識(shí)以及其它的描述符一同決定具體安裝哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。本文講述的 USB 驅(qū)動(dòng)程序是用 DriverWorks 開發(fā)的。DriverWorks 是包含在 Driverstudio 軟件中， Driverstudio 還提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試工具。類 KDeviee 則是對(duì) AddDevice例程和 IRP 處理例程進(jìn)行了封裝。 驅(qū)動(dòng)程序采用接口方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問， GUID 設(shè)為 {0xl220dd4，0xl480， 0x4172， {0x8b， 0