【文章內(nèi)容簡介】 輸入電路以及多路開關(guān)電路，完成信號的輸入處理及輸出工作。 開關(guān)量輸入電路設(shè)計 74LS244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動器。由于系統(tǒng)要求有16路開關(guān)量輸入，因此，開關(guān)量輸入電路由2片74LS244組成。開關(guān)量輸入電路如圖26所示：圖26 開關(guān)量輸入電路 開關(guān)量輸出電路設(shè)計 74LS273是帶有清除功能的8D觸發(fā)器。低電平清除，上升沿鎖存。滿足所需建立時間的D輸入信息在時鐘脈沖正邊沿作用下傳送到Q輸出端，時鐘觸發(fā)發(fā)生在一個特定的電平上，它不直接和正脈沖的過渡時間有關(guān)。當時鐘輸入為高電平或低電平時，D輸入信號對輸出無影響。觸發(fā)器保證對0到30M的時鐘頻率范圍響應(yīng)，而最高時鐘頻率的典型值是40M。對于273每個觸發(fā)器的功耗典型值為39mW，對于LS273為10mW。由于系統(tǒng)要求有16路開關(guān)量輸出，因此，開關(guān)量輸出電路由2片74LS273組成。電路如圖27所示：圖27 開關(guān)量輸出電路 脈沖輸入電路設(shè)計 8253是可編程的定時器/計數(shù)器，其內(nèi)部有三個獨立的16位定時器/計數(shù)器，每個通道都可以按二或十進制計數(shù)，并且每個通道都可按6種不同的方式工作。其GATE0～GATE2是門控脈沖輸入端，CLK0～CLK2是計數(shù)器0～2的時鐘脈沖輸入端，OUT0～OUT2是輸出端。當8253做外部事件計數(shù)器時，在CLK端所加的計數(shù)脈沖由外部事件產(chǎn)生，這些脈沖的間隔可以不相等。這時，8253所能實現(xiàn)的定時時間決定于計數(shù)脈沖的頻率和計數(shù)器的初值，即定時時間=預(yù)置的計數(shù)初值n時鐘脈沖周期t[8]。由于系統(tǒng)要求有8路脈沖量輸入，因此，脈沖量輸入電路由3片8253組成。電路如圖28示：圖28 8路脈沖輸入電路 多路開關(guān)電路設(shè)計 CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有三個二進制控制輸入端A0、AA2和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。這些開關(guān)電路在整個VDDVSS和VDDVEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當INH輸入端為1時，所有的通道截止。三位二進制信號選8通道中的某一通道，可連接該輸入端至輸出。系統(tǒng)要求有16路模擬量輸入及輸出，模擬量輸入輸出信號分別經(jīng)過2片CD4051選擇。多路開關(guān)圖如圖29所示： 圖29 多路開關(guān)電路其中A0A3為地址，S0S15為模擬信號，IN/OUT為總輸入輸出。CD4051帶有三個通道選擇輸入端A、B、C和一個禁止端INH。當CBA為000~111B時，可產(chǎn)生8選1控制信號，使8路通道中的某一通道的輸入與輸出接通。當INH為0時，允許通道接通；當INH為1時，禁止通道接通。改變CD4051的IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，可用做多路開關(guān)和反多路開關(guān)[9]。使用禁止端INH，可以很方便地實現(xiàn)通道數(shù)的擴展。本系統(tǒng)使用兩片CD4051組成16路的多路開關(guān)。當通道選擇碼取0000~1111B之一時，便唯一地選中這16路通道中的某一通道。3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分總共分為三塊：采集設(shè)備固件程序、采集設(shè)備驅(qū)動程序和用戶應(yīng)用程序。采集設(shè)備固件的作用是輔助硬件，任何基于微處理器及外圍電路的功能設(shè)備正常工作都離不開固件的參與；驅(qū)動程序采用基于WDM模型的驅(qū)動程序；對于基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序也是必須存在的，功能是開啟、關(guān)閉USB設(shè)備，檢測USB設(shè)備，顯示分析數(shù)據(jù)等。下面對軟件的設(shè)計詳細介紹。 USB固件程序設(shè)計所有基于微處理器及其外圍電路的功能設(shè)備保證正常工作都離不開固件的參與，固件的作用就是輔助硬件，即控制硬件來完成預(yù)期的功能，若沒有固件的控制和參與，硬件設(shè)備只是簡單的芯片堆砌，無法達到預(yù)期的功能。因此，用戶必須編寫固件程序去輔助硬件完成USB的通信任務(wù)。具體如下：(1)初始化。設(shè)置一些特殊寄存器的初始值，以實現(xiàn)所需的設(shè)備功能或?qū)傩?，例如使能端點、開中斷、配置端口等。(2)輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉過程。包括模擬設(shè)備的重新連接與斷開，對收到的設(shè)置包進行判斷分析，從而對主設(shè)備的請求做出適當?shù)捻憫?yīng)，完成對設(shè)備的配置任務(wù)。(3)對中斷的處理。(4)數(shù)據(jù)的接收發(fā)送。(5)外圍電路的控制[10]。固件程序采用模塊化設(shè)計設(shè)計成中斷驅(qū)動模式，其總體結(jié)構(gòu)如圖31所示。請求處理程序中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)接收/發(fā)送主程序硬件接口訪問程序圖31 固件程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向各模塊主要功能如下：主程序：完成USB接口芯片及數(shù)字信號處理器的初始化、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送標志位的判斷和中斷請求等待。中斷服務(wù)程序：固件程序設(shè)計的重中之重就是中斷服務(wù)程序。首先讀取中斷寄存器的值判斷所發(fā)生中斷的類型，然后根據(jù)具體的中斷類型進入相應(yīng)的處理子程序或設(shè)置相應(yīng)的標志位。請求處理程序：USB標準請求處理程序來負責處理枚舉階段主機發(fā)給設(shè)備的標準請求，以及正常工作時主機發(fā)送的廠商的請求。固件接收第1個SETUP中斷開始，就進入USB枚舉的過程，枚舉過程是由主機發(fā)出一系列的請求并要求及時得到設(shè)備的響應(yīng)，如果不需要操作，也必須指示出一個空響應(yīng)，使主機能為其準備所請求的資源，建立好主機和設(shè)備之間的信息溝通機制[11]。數(shù)據(jù)接收/發(fā)送程序：當用戶通過主機端應(yīng)用程序向設(shè)備發(fā)送或索要數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號處理器調(diào)用數(shù)據(jù)接受/發(fā)送的子程序完成數(shù)據(jù)的接受/發(fā)送。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程如下：圖32 發(fā)送數(shù)據(jù)過程圖33 接收數(shù)據(jù)過程硬件接口訪問程序：硬件接口程序負責完成數(shù)字信號處理器對芯片的讀寫操作，它是整個固件程序中的最底層，同時也是使用最頻繁的部分。 驅(qū)動程序的設(shè)計Windows環(huán)境下驅(qū)動程序有3種模型：KMD模型、VXD模型、WDM模型。WDM模型是全新的驅(qū)動程序模型，現(xiàn)在主流操作系統(tǒng)基本上都是采用基于WDM模型的驅(qū)動程序[9]。WDM模型的為分層體系結(jié)構(gòu)，具體如圖34所示：圖34 WDM結(jié)構(gòu)圖這里首先介紹兩個概念I(lǐng)RP及URB。IRP 即I/O請求包。它是驅(qū)動程序的核心。I/O管理器接收到一個I/O請求，然后把它傳遞到設(shè)備驅(qū)動程序之前，分配并初始化一個IRP。URB 即USB請求塊。USB設(shè)備驅(qū)動程序在向設(shè)備發(fā)送一個請求之前，必須首先創(chuàng)建一個URB，然后把URB送到總線驅(qū)動程序，這樣設(shè)備驅(qū)動程序才會得以運行。對于USB設(shè)備，其WDM驅(qū)動程序分為USB功能驅(qū)動程序和USB底層驅(qū)動程序。USB底層驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供，負責與硬件打交道，實現(xiàn)底層通信。USB功能驅(qū)動程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，不對硬件進行操作，而是通過向USB底層驅(qū)動程序發(fā)送包含請求塊URB的IRP，以實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收[12]。 用戶應(yīng)用程序設(shè)計 操作流程 一般用戶應(yīng)用程序必須的功能是采樣數(shù)據(jù)讀取、采樣控制以及數(shù)據(jù)顯示，其他功能(例如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲)可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要進行定制。根據(jù)功能劃分，應(yīng)用程序可以細化為以下幾個模塊：主框架、設(shè)備訪問模塊、采樣設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，模塊之間的關(guān)系如圖35所示：數(shù)據(jù)顯示模塊采集設(shè)置模塊主框架設(shè)備訪問模塊圖35 應(yīng)用程序模塊結(jié)構(gòu)圖