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基于USB总线的实时数据采集系统设计与实现

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了基于USB总线的实时数据采集系统的USB设备固件程序、驱动程序、应用程序的设计与具体实现。

    关键词:通用串行总线 实时数据采集 设备固件 驱动程序

在现代工业生产和科学技术研究的各行业中,通常需要对各种数据进行采集。目前通用的通过数据采集板卡采集的方法存在着以下缺点:安装麻烦,易受机箱内环境的干扰而导致采集数据的失真?熏易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,(范文先生网www.fwsir.com收集整理)可扩展性差。而通用串行总线USB(Universal Serial Bus)的出现,很好地解决了上述问题,很容易实现便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集,代表了现代数据采集系统的发展趋势。

1 系统硬件设计与实现

1.1 硬件总体结构

基于USB总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、A/D转换器、单片机、USB接口芯片,其硬件总体结构如图1所示。多路模拟信号经过模拟开关传到A/D转换器转换为数字信号?熏单片机控制采集,USB接口芯片存储采集到的数据并将其上传至PC,同时也接收PC机USB控制器的控制信息。

1.2 PDIUSBD12芯片

USB接口芯片采用Philips公司的一种专用芯片PDIUSBD12(以下简称D12)。该芯片完全符合USB1.1规范,集成了SIE、320B的多配置FIFO存储器、收发器、电压调整器、SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等,支持双电压工作、完全自动DMA 操作、多中断模式,内部结构如图2所示。

单片机通过8位并行接口传送经过A/D转换的采集数据,存储在FIFO存储器中。一旦存满,串行接口引擎SIE立刻对数据进行处理,包括同步模式识别、并/串转换、位填充/不填充、CRC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定,处理完毕后数据由模拟收/发器通过D+、D-发送至PC。上述过程遵循USB1.1协议。D12与89C51的具体实现电路如图3所示。

2 系统软件设计与实现

系统软件包括USB设备固件编程、驱动程序和应用程序。其中设备固件是整个系统的核心,它控制芯片D12采集数据、接收并处理USB驱动程序的请求和应用程序的控制指令。
基于USB总线的实时数据采集系统设计与实现
    2.1 USB设备固件程序设计与实现

设备固件是设备运行的核心,用C语言设计。其主要功能是控制A/D模块的数据采集;接收并处理驱动程序的请求,如请求描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等USB1.1标准请求;控制芯片D12接收应用程序的控制指令等。其程序主框图如图4所示。单片机检测到D12后进入主循环。此时PC机先发令牌包给D12,D12接收到令牌包后给单片机发中断,单片机据中断类型设定标志位Status;最后执行相应标志位的中断服务程序。单片机通过A/D模块的中断入口控制A/D模块的数据采集。

2.2 驱动程序设计与实现

USB系统驱动程序采用分层结构模型:较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由通用串行总线驱动程序模块(USBD)和主控制器驱动程序模块(HCD)组成。

图3 PDIUSBD12与89C51的具体实现电路

    为使驱动程序具有通用性,也为简化应用程序的开发,编写了供应用程序调用的动态链接库。这样应用程序只需调用此库提供的接口函数即可完成对USB设备的操作。USB函数层(USBD及HCD)由Windows98提供,负责管理USB设备驱动程序与USB控制器之间的通信、加载及卸载USB驱动程序等。目前Windows98提供的多种USB设备驱动程序并不针对实时数据采集设备,因此采用DDK开发工具设计专用的设备驱动程序。其由四个模块组成:初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能实现模块。

初始化模块提供一个DriverEntry入口点执行一系列的初始化过程。

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