【正文】 .......................... 43 Win32 應用程序?qū)?WDM 的通信 ......................................... 43 WDM 對 Win32 應用程序的通信 ......................................... 44 第四章 應用程序的實現(xiàn) .......................................... 45 第五章 結(jié)束語 .................................................. 49 致 謝 .......................................................... 51 參考文獻 ....................................................... 52 附 錄 .......................................................... 53 1 第一章 緒 論 本 設(shè)計 的目的和意義 隨著數(shù)字化進程的加快，工業(yè)生產(chǎn)和科學研究等各個領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集提出了更高的要求。簡 而言之，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)就 是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并 送入 PC機 對其進行處理，為進一步操作做準備。過去人們單純追求計算機與外設(shè)之間的傳輸速度，現(xiàn)在糾錯能力和操作安裝的簡易性也成為人們關(guān)注的目標。 USB設(shè)備需要依據(jù) USB協(xié)議進行數(shù)據(jù)的解包與打包，底層硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間需要以驅(qū)動程序為橋 梁。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出 盡管 RS232是一種十分成熟且應用廣泛的通訊方式，但是隨著控制系統(tǒng)的日益復雜，所要采集的量也會越來越多。 USB技術(shù)雖然出現(xiàn)的時間并不長，但是由于它的種種優(yōu)點，被越來越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了 USB打印機、攝像頭等產(chǎn)品 [1]。 采用 ISP1581芯片和 89C52單片機設(shè)計的基于 USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點，可在信號測試、信號采集場合廣泛使用。 USB 簡介 通用串行總線 (Universal Serial Bus，簡稱 USB)是康柏、微軟、 IBM， DEC等公司為了解傳統(tǒng)總線的不足推出的一種新型串行總線接口規(guī)范， 自 1995年在四川理工學院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 2 Comdex上亮相以來至今己廣泛地為各 PC廠家所支持。 [2]USB的主要特點如下 : 1. 速度快。另外為了適應一些不需要很大吞吐量但是有很高實時性要求的設(shè)備，如鼠標、鍵盤、游戲桿等， USB還提供低速方式，速率為 。新推 出的 480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率可以適應各 種不同類型的外設(shè)。交互設(shè)備 電話、音頻、壓縮視頻 音頻、磁盤 所有的 USB 設(shè)備可以隨時的插入和拔離系統(tǒng)，USB 主機能夠動態(tài)的識別設(shè)備的狀態(tài)，并自動給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，添加、 刪除設(shè)備完全不用關(guān)閉計算機，也不必像過去那樣需要手動跳線和撥碼開關(guān)來設(shè)置新的外設(shè)。 USB使用的是一種易于擴展的樹狀結(jié)構(gòu)，通過使用 USB Hub擴展可連接多達 127個外設(shè)。通過 Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達到 30米。 USB共有 4種傳輸模式 :控制傳輸 (control)， 步傳輸(synchronization)、中斷傳輸 (interrupt)、批量傳輸 (bulk)， 適應不同設(shè)備的需要。 普通使用串口、并口的設(shè)備 都需要單獨的供電系 3 統(tǒng)，而 USB設(shè)備則不需要，因為 USB接口提供了內(nèi)置電源 e USB電源能向低壓設(shè)備提供最大 5V， 500mA 的電源，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價比。 USB對系統(tǒng)與 PC的集成進行了優(yōu)化，適合于開發(fā)低成本的外設(shè)。很方便地就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高可靠性、實時的數(shù)據(jù)采集，適用于對瞬態(tài)信號進行采集和處理。自從 1996年 2月 USB版本， USB不光成為了 PC主板上的標準接口，而且成為了所有PC外部設(shè)備（如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、數(shù)碼相機、掃描儀和游戲手炳等）與 PC相連的標準協(xié)議之一。毫無疑問的是，USB已經(jīng)占領(lǐng)了 PC和外設(shè)的市 場；而在未來， USB又將以 OTG再次引領(lǐng)計算機外設(shè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，同時把計算機和嵌入式領(lǐng)域的學術(shù)研究帶到更為深入的層次[2]。目前，大量扮演 USB主機角色的是個人電腦（ PC： Personal Computer）。因此“如何將 USB應 用到嵌入式領(lǐng)域？”開始進入了 USB開發(fā)者的討論議程 [3]。國內(nèi)的研究也剛剛起步。 四川理工學院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 4 第二章 硬件設(shè)計 USB 標準的提出 當今的計算機外部設(shè)備，都在追求高速度和高通用性。 USB總線協(xié)議支持最多 5個 Hub級聯(lián)，可把多達 127個外設(shè)同時連接到系統(tǒng)上，所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享 USB總線的帶寬。此外在 USB OTG[6]的概念，為 USB的嵌入式控制 [7]提供了廣闊的前景。 USB 480Mbps，是 USB 4倍。而且新的符合 USB USB 何沖突。軟件方面， Windows 98全面提供了對 USB ，而 Windows XP全面提供了對 USB 。隨著 USB總線技術(shù)在計算機外設(shè)中的廣泛應用，以 USB OTG為背景的嵌入式 USB應用也被提到議事日程上來了USB OTG技術(shù)解決了 USB總線技術(shù)在嵌入式環(huán)境中應用時點對點通訊的問題。 USB 的基本特性 USB 系統(tǒng)的基本架構(gòu)及總線結(jié)構(gòu) 如圖 ，一般 USB系統(tǒng)的基本架構(gòu)可以分為三個主要的部分 :USB主機控制器 /根集線器、 USB集線器和 USB設(shè)備。主機硬件包括USB主機控制器 (USB host controller)和 USB根集線器 (USB root hub)兩種。 USB根集線器 —— 提供 USB連接端口給 USB設(shè)備或 USB集線器使用。一般是由主機控制器命令根集線器，然后由根集線器傳到正確的設(shè)備地址。在高速系統(tǒng)中， Hub起著很重要的作用，它將全速或低速信號環(huán)境與高速信號環(huán)境隔離開。 (USB devices) 指各種類型的 USB外圍設(shè)備。 USB系統(tǒng)的基本架構(gòu)決定 USB總線結(jié)構(gòu)是采用階梯式星型的拓撲結(jié)構(gòu) [8]。其中兩根線是用于提供 USB設(shè)備工作所需的電源和地，稱為 VBUS和 GND。數(shù)據(jù)信號是通過 D＋和 D－進行雙向傳送。 5% ） KΩ的位置，其中對于 輸，這個提升電阻被省略，改以自動切換的方式。整個 PC主機與 USB設(shè)備之間的電氣特性是這樣操作的 :在設(shè)備未連接至主機的根集線器或集線器的連接端口時， D＋和 D－兩條信號線因為下拉電阻的關(guān)系，幾乎都視為接地，但若有一個設(shè)備剛連接上時，由于提升電阻與下拉電阻形成了一個分壓器，因此其中有一條數(shù)據(jù)信號線的電位將被提升，當集線器檢測到其中的一條數(shù)據(jù)信號線趨 3V，而另外一條仍維持接地狀態(tài)時就可 確定有一個 USB設(shè)備已連接上。 USB設(shè)備的上行連接器和下行連接器是不可機械的互換，這樣就消除了集線器間非法的循環(huán)往復的連接，電纜中有四根導線 :一對互相纏繞的標準規(guī)格線，一對符合標準的電源線，連接器有四個方向，具有屏蔽層，以避免外界干擾，并具有易拆裝的特性 [8]。 電源分配即 USB設(shè)備如何通過 USB分配得到由主機提供的電源。電源管理就是通過電源管理系統(tǒng)，使 USB系統(tǒng)軟件、設(shè)備與主機協(xié)調(diào)工作。 USB系統(tǒng)軟件可以與主機的電源管理系統(tǒng)結(jié)合，共同處理各種電源事件 (如掛起、喚醒 )。 USB 的編碼方式 對于一個設(shè)備而言，不僅要無誤的接收主機端送來的數(shù)據(jù)，更要正確的發(fā)出響應信號，因此，在 D＋與 D－差動數(shù)據(jù)線上就必須采用一種特別的編碼方式再加以傳送 出去，以解決在 USB線纜所產(chǎn)生信號延遲及誤差等問題。 NRZI的編碼規(guī)則是 :當數(shù)據(jù)位為“ 1”時不轉(zhuǎn)換，為“ 0”時再作轉(zhuǎn)換。所以需要執(zhí)行“位填塞”工作。因此在發(fā)送端作數(shù)據(jù)傳輸之前，需要先執(zhí)行位填塞和 NRZI編碼，而在接收數(shù)據(jù)之前，需要先執(zhí)行 NRZI譯碼再作位反填塞。 USB 的 容錯性 為了有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性， USB協(xié)議規(guī)定了對 USB傳輸過程的一系列的錯誤檢測與處理方式，通常 USB的 容錯性 體現(xiàn)在如下幾個方面： （ 1）使用差分的驅(qū)動接收和防護，以保證信號完整性； （ 2）在數(shù)據(jù)和控制信息上加了循環(huán)冗余碼 (CRC)； （ 3）對裝卸的檢測和系統(tǒng)資源的配置； （ 4）對丟失或損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸、利用協(xié)議自我恢復； （ 5）對流數(shù)據(jù)進行控制，以保證同步信號和硬件緩沖管理的安全； （ 6）數(shù)據(jù)和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影響獨 立開。 USB的這種層次結(jié)構(gòu)如圖 示 。 圖 23 主機端和設(shè)備端通信詳解 USB總線接口層提供了在主機和設(shè)備之間的物理連接、信令信號和數(shù)據(jù)包連接。功能件 (應用層 )可以通過與之相配合的客戶軟件向主機提供一些額外的功能。 更為深入的通信流程如圖 ，對客戶與應用間不同的交互， USB設(shè)備對數(shù)據(jù)流有不同的要求。每種通信流都采取了某種總線訪問方法來完成主機上的軟件與設(shè)備之間的通信。不同設(shè)備的不同端點用于區(qū)分不同的通信流。 USB系統(tǒng)軟件通過一個缺省的控制通道來管理設(shè)備，而客戶軟件用管道束管理接口?？蛻糗浖笸ㄐ艛?shù)據(jù)在主機上的一個緩沖和 USB設(shè)備上的一個端點之間進行，主機控制器或一個同步傳送是一個或多個 IN/OUT方向的數(shù)據(jù) 事務(wù)。一個 IRP又可由一個或多個傳送組成。 中斷傳送 IRP 事務(wù) 事務(wù) 一個中斷傳送是一個或多個 IN/OUT方向的數(shù)據(jù)事務(wù)。 四川理工學院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 USB設(shè)備 (取決于數(shù)據(jù)傳輸方向 )將數(shù)據(jù)打包后在 USB上傳。 USB體系結(jié)構(gòu)支持 4種最基本類型的數(shù)據(jù)傳輸 [11](一個管道僅支持一種類型 ): 主要用于在連接時刻配置一個端口?？刂苽鬏?的實現(xiàn)方式如圖 24所示。 批量傳輸?shù)奶攸c：保證準確性，不保證傳輸時延，利用 USB的重發(fā)機制，高速模式下最多可在一個數(shù)據(jù)包傳輸 512字節(jié)，多用于需要防錯的設(shè)備。 中斷傳輸?shù)奶攸c：和批量傳輸類似，傳輸發(fā)生在固定的周期間隔 (以幀為單位 )，用于周期性查詢設(shè)備狀態(tài)。 同步傳輸?shù)奶攸c：保證傳輸時間，不保證準確性，沒有重發(fā)，高速模式端點允許最大每包 1024字節(jié)，用于實時信息傳輸。新版本中的最大變化是傳輸速率的大幅提高。低速速率主要針對那些低消耗的設(shè)備，例如鼠標、鍵盤等，它們需要使用柔軟的電纜 (沒有良好屏蔽 )。當然，總線的速率并不等于設(shè)備真正傳輸數(shù)據(jù)的速率。在最好的情況下，高速的批量傳輸?shù)膫鬏斔俾士梢赃_到 53MBps，這時它占用將近 90%的帶寬。 微幀和 USB 集線器 盡管 USB ，但它仍允許用戶在高速傳輸時使用低速和全速兩種傳輸?shù)脑O(shè)備。每個傳輸包括將使用的緩存的端點地址，在多數(shù)傳輸類型中，信息在兩 個方向上傳輸，主機開始事務(wù)，從主機或到主機的數(shù)據(jù)傳輸，并且接收返回的狀態(tài)信息。每個微幀能夠攜帶到達多個地址的多個傳輸。 集線器能夠增加外設(shè)的端口數(shù)。一個支持 USB 協(xié)議的集線器支持全速和低速的數(shù)據(jù)速率，但是不能實現(xiàn)速率轉(zhuǎn)換 。如圖 25所示 :一個 USB 當于一個遠程處理器，可以根據(jù)需要實現(xiàn)從高速到低速或全速的轉(zhuǎn)換。同時它也意味著 USB USB 。因為高速總線比低速和全速總線要快得多，高速總線在實現(xiàn)速度的轉(zhuǎn)換時使用了一些其它的技巧來避免總線的堵塞。為了減少信號的抖動，集線器反復同步接收高速數(shù)據(jù)，另一方面它不變地連接到任何高速設(shè)備?？刂苽鬏攽糜谠谥鳈C列舉設(shè)備時或主機想要發(fā)送定義請求或接收相應的信息時。批量傳輸應用那種想要盡可能快地傳輸數(shù)據(jù)但在總線忙時又可以等待的設(shè)備，例如打印機、掃描儀等。 除了具有高速傳輸速率以外， USB 法，提出用于在高速總線上全速和低速傳輸?shù)姆至褌鬏?。速率提高有兩個理由 :每個事務(wù)的包的最大數(shù)目增加了，一個事務(wù)中每幀擁有更多的數(shù)據(jù)包。 表 21進出高速端點最大數(shù)據(jù)傳輸速率 (單位 :kbps) 傳輸類型 低速 全速 高速 控制 24 832 15782 中斷 64 24576 批量 不允許 1216 53248 同步 不允許 1023 24576 高速的批量和控制傳輸有一個更好的握手方法。當主機認為設(shè)備可能已經(jīng)準備好了之后，它將發(fā)送一個 PING標志包，端點返回 ACK(響應 )或 NAK來通知高速主機是否可以進行下次高速 低速 低速 低速 全速 全速 全速 低 速 /高速 高速 高速 集線器 全速