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1 引言 隨著(zhù)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數據采集和處理技術(shù)廣泛應用于雷達、通信、遙測、遙感等領(lǐng)域。而在早期的計算機系統上通常使用串口或并口來(lái)發(fā)送數據，每個(gè)接口都需要占用計算機內部很多的資源，傳統的接口一般采用PCI總線(xiàn)或RS-232串行總線(xiàn)。PCI總線(xiàn)有較高的傳輸速率，可達132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴充槽有限且插拔不方便；RS-232串行總線(xiàn)連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數據和傳送大量數據。USB(通用串行總線(xiàn))集中了PCI和RS-232串行總線(xiàn)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)應用于數據采集是非常合適的，可以達到數據采集系統的高速度處理。目前，USB已經(jīng)推出了其協(xié)議的2.0版本，速率高達480 Mbit／s。 本文研發(fā)了一套基于USB接口的數據采集系統，整個(gè)系統的設計涉及到硬件、設備固件(Firmware)、USB設備驅動(dòng)程序及客戶(hù)應用軟件。下面分別加以說(shuō)明。 2 USB接口芯片 本文介紹的USB數據采集系統采用了Cypress公司EZ-USBFX2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)也加快了數據傳輸的速度。在系統中，CY7C68013-128AC既是數據采集控制器又是USB控制器，EZ-USBFX2系列有3種型號：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對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(xiàn)和8位數據總線(xiàn)以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可擴展性最好。圖1是該芯片的內部結構圖。 3 USB的固件和驅動(dòng)程序設計 3.1 固件 固件是儲存在程序內存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機和外設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(kāi)發(fā)的。固件庫提供了一些常量、數據結構、宏、函數來(lái)簡(jiǎn)化用戶(hù)對芯片的使用；固件框架實(shí)現了初始化芯片、處理USB標準設備請求以及掛起狀態(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進(jìn)行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對于用戶(hù)而言，主要的工作就是選擇適當的傳輸方式，添加需要使用的端點(diǎn)(Endpoint)，考慮到本系統要求實(shí)現一定數量數據的快速采集，并要迅速地將采集到的數據傳輸和進(jìn)行分析處理，并且對數據的完整性要求較高，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()函數中添加功能代碼，以實(shí)現發(fā)送和接收數據功能，關(guān)鍵代碼分別如下： 3.2 USB設備驅動(dòng)程序 USB設備驅動(dòng)程序主要是使操作系統能夠識別USB設備，建立起主機端與設備端之間的通信，它們之間的通信是通過(guò)Windows提供的API函數實(shí)現的，這些函數可以控制顯示器、處理信息、訪(fǎng)問(wèn)存儲器、讀寫(xiě)磁盤(pán)和其他設備。 圖2是USB設備驅動(dòng)程序的整體結構圖。 USB設備驅動(dòng)的整體結構包括如下5個(gè)主要部分：USB應用程序接口、USB設備驅動(dòng)函數、USB中斷服務(wù)程序、USB回調接口程序、USB標準事件處理程序。 3.2.1 USB應用程序接口 USB應用程序接口主要功能是對USB驅動(dòng)器進(jìn)行軟硬件初始化、打開(kāi)端口、關(guān)閉端口、讀端口、寫(xiě)端口和端口控制操作。當設備驅動(dòng)器裝入系統設備表時(shí)，I／O系統就調用該應用程序接口。 USB應用程序接口的一個(gè)例程主要包含： a) 對USB端口安裝、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步驟為：將USB設備驅動(dòng)器安裝到I／O系統設備表中，獲取USB控制器使用的中斷號，初始化USB驅動(dòng)器數據結構與USB端口狀態(tài)寄存器，啟動(dòng)USB標準事件處理程序。 b) 打開(kāi)USB端口(USB_open())。USB_open函數允許應用程序打開(kāi)一個(gè)USB端口和選擇DMA數據傳輸方式。 c) 關(guān)閉USB端口(USB_close())。USB_close函數允許應用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。 d) 對USB端口進(jìn)行讀操作(USB_read())。USB_read函數允許應用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數據。 e) 對USB端口進(jìn)行寫(xiě)操作(USB_write())。USB_write函數與USB_read函數功能類(lèi)似，允許應用程序寫(xiě)數據到輸入端口或控制端口。 f) 對USB設備進(jìn)行I／O控制操作(USB_ioctl())。 3.2.2 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)生接收零字節包或短包中斷；控制端口0接收設置包時(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、恢復和復位。先識別發(fā)生USB中斷的類(lèi)型以清除中斷產(chǎn)生的條件，再讀USB狀態(tài)寄存器，獲取當前配置、接口或幀起始時(shí)間戳狀態(tài)信息，最后向USB控制器消息隊列或回調函數的接收消息隊列發(fā)送中斷消息。 3.2.3 USB標準事件處理程序 USB驅動(dòng)器初始化后，啟動(dòng)USB標準事件處理程序負責處理枚舉過(guò)程和異步USB事件。事件處理程序使用控制端口0，直到完成枚舉過(guò)程。當USB應用程序處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，除控制端口0以外端口均不可訪(fǎng)問(wèn)。事件處理程序在端口0上執行控制操作，響應USB標準請求，并負責通知USB應用程序枚舉完成和接口活動(dòng)狀態(tài)，USB事件通過(guò)回調接口傳遞到USB外設應用程序。當對USB端口枚舉操作完成，USB應用程序就可打開(kāi)并使用USB端口。 4 客戶(hù)應用軟件 開(kāi)發(fā)系統應用軟件的底層，需要極好的兼容性和穩定性。對于廣大用戶(hù)而言，與系統的交互是通過(guò)應用程序實(shí)現的，因此，如何設計出運行效率高、界面友好、穩定性高的應用程序是至關(guān)重要的因素。。VC++是開(kāi)發(fā)Windows應用程序的主流開(kāi)發(fā)工具，充分利用它的面向對象特性的C++和功能強大的MFC來(lái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)級的應用程序，MFC是一個(gè)強大的、擴展的C++類(lèi)層次結構，它能使開(kāi)發(fā)Windows應用程序變得更加容易，而且在整個(gè)Windows家族中都是兼容的。Lab-Windows／CVI是以ANSI c為核心的交互式虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，它將功能強大的C語(yǔ)言與測控技術(shù)有機結合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫函數。本設計就是采用Visual C++6.0和LabWindows／CV提供的Graph控件來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序的，應用程序的主要功能有：打開(kāi)／關(guān)閉USB設備，檢測USB設備，實(shí)現向USB設備發(fā)送指定數量的數據。 下面是各部分的一些代碼及說(shuō)明： 1) 查找、打開(kāi)USB設備 2) 線(xiàn)程(Thread) 線(xiàn)程就是程序中單獨順序的流控制。線(xiàn)程是進(jìn)程中的實(shí)體，一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)線(xiàn)程必須有一個(gè)父進(jìn)程。線(xiàn)程不擁有系統資源，只有運行必須的一些數據結構；它與父進(jìn)程的其他線(xiàn)程共享該進(jìn)程所擁有的全部資源。圖3是線(xiàn)程的狀態(tài)轉換圖。 線(xiàn)程被分為兩種：用戶(hù)界面線(xiàn)程和工作線(xiàn)程(又稱(chēng)為后臺線(xiàn)程)。本程序設計主要使用工作線(xiàn)程來(lái)執行數據的讀寫(xiě)操作等，它與用戶(hù)界面線(xiàn)程的區別是不用從CWinThread類(lèi)派生來(lái)創(chuàng )建，對它來(lái)說(shuō)最重要的是如何實(shí)現工作線(xiàn)程任務(wù)的運行控制函數。 對于工作線(xiàn)程來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程，首先需要編寫(xiě)一個(gè)希望與應用程序的其余部分并行運行的函數，如Fun()，接著(zhù)定義一個(gè)指向CWinThread對象的指針變量*pThread，調用AfxBeginThread(Fun，param，priori-ty)函數，返回值賦給pThread變量的同時(shí)啟動(dòng)該線(xiàn)程執行上述Funl()函數，其中Fun是線(xiàn)程要運行的函數的名字，亦即控制函數的名字，param是準備傳送給線(xiàn)程函數Fun的任意32位值，priority是定義該線(xiàn)程的優(yōu)先級別，是預定義的常數，可參考MSDN。 本程序設計中的關(guān)鍵代碼如下： 5 實(shí)例 本例中使用了LabWindows／CVI的Graph圖形顯示控件，用來(lái)顯示各類(lèi)信號波形，如普通連續波信號波形、單載頻矩形脈沖信號波形、調頻(非線(xiàn)性調頻)脈沖壓縮信號波形和二相編碼波形等。圖4為各類(lèi)信號波形圖。這些信號均為數據采集系統的測試信號，可由DDS(直接數字頻率合成器)芯片AD9858實(shí)現。 將圖4中各類(lèi)信號波形的頻率、寬度、幅度和載頻信號頻率等參數讀出來(lái)，分別進(jìn)行一些計算，將計算出的結果通過(guò)USB口傳送到DDS來(lái)產(chǎn)生波形；其他公共參數如"DDS時(shí)鐘頻率"根據實(shí)際采用的時(shí)鐘頻率設置。比如線(xiàn)性調頻信號，一般關(guān)心的是一個(gè)信號的帶寬、起始頻率和調頻斜率這3個(gè)值。這3個(gè)參數其實(shí)就是信號波形中的起始頻率fs、終止頻率f0和持續時(shí)間t，它們是等價(jià)的，現在把這些參數的值從測試信號波形中讀出來(lái)，然后代入下式：DFRRW(8(f0-fs)／t)231／SCLK。式中：SCLK是DDS的時(shí)鐘頻率，它的值設為1 GHz；DFRRW為步進(jìn)頻率斜率控制字，它的值設為1，代表每8 ns更新一次。最后把計算出的DFTW(步進(jìn)頻率調節字)值通過(guò)USB口傳送到DDS。 另外，二相編碼的實(shí)現是通過(guò)控制DDS的POW(相位補償字)來(lái)實(shí)現的，通過(guò)改變PSO和PS1的值，就可以改變信號的相位，而且相位的改變可以是絕對調相和相對調相。這里使用了4個(gè)工作組，其中2個(gè)工作組的POW為0，另外2個(gè)工作組中的POW為π。將上面測試信號波形中的參數讀出來(lái)，代人POW=214W／360中，其中W為波形的相位值，再把計算出的POW值通過(guò)USB口傳送到DDS即可。 6 結束語(yǔ) 本設計中使用的USB2.0作為接口部分，具有接口簡(jiǎn)單、傳輸速率高和即插即用等特點(diǎn)；應用程序充分利用VC的MFC框架的比較豐富的資源和LabWin-dows／CVI豐富的庫函數，在進(jìn)行數據采集和控制時(shí)，具有界面友好、兼容性和工作可靠、穩定等特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際運用證明，本設計合理，使用方便，在數據采集過(guò)程中，很容易實(shí)現高速度傳輸數據并進(jìn)行分析處理。 |
