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1 引言 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙測(cè)、遙感等領(lǐng)域。而在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上通常使用串口或并口來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多的資源，傳統(tǒng)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(dá)132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴(kuò)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(shù)據(jù)和傳送大量數(shù)據(jù)。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(yīng)用于數(shù)據(jù)采集是非常合適的，可以達(dá)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(dá)480 Mbit／s。 本文研發(fā)了一套基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件、設(shè)備固件(Firmware)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及客戶(hù)應(yīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｔ谙到y(tǒng)中，CY7C68013-128AC既是數(shù)據(jù)采集控制器又是USB控制器，EZ-USBFX2系列有3種型號(hào)：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對(duì)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(shù)據(jù)總線(xiàn)以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可擴(kuò)展性最好。圖1是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 3 USB的固件和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 3.1 固件 固件是儲(chǔ)存在程序內(nèi)存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機(jī)和外設(shè)中其他電路能夠通信。Cypress公司給出了一個(gè)固件庫(kù)和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51開(kāi)發(fā)的。固件庫(kù)提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏、函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化用戶(hù)對(duì)芯片的使用；固件框架實(shí)現(xiàn)了初始化芯片、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)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(jī)進(jìn)行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對(duì)于用戶(hù)而言，主要的工作就是選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞剑砑有枰褂玫亩它c(diǎn)(Endpoint)，考慮到本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)一定數(shù)量數(shù)據(jù)的快速采集，并要迅速地將采集到的數(shù)據(jù)傳輸和進(jìn)行分析處理，并且對(duì)數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)中添加功能代碼，以實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)功能，關(guān)鍵代碼分別如下： 3.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別USB設(shè)備，建立起主機(jī)端與設(shè)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(shù)實(shí)現(xiàn)的，這些函數(shù)可以控制顯示器、處理信息、訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器、讀寫(xiě)磁盤(pán)和其他設(shè)備。 圖2是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體結(jié)構(gòu)圖。 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)包括如下5個(gè)主要部分：USB應(yīng)用程序接口、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)、USB中斷服務(wù)程序、USB回調(diào)接口程序、USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。 3.2.1 USB應(yīng)用程序接口 USB應(yīng)用程序接口主要功能是對(duì)USB驅(qū)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(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時(shí)，I／O系統(tǒng)就調(diào)用該應(yīng)用程序接口。 USB應(yīng)用程序接口的一個(gè)例程主要包含： a) 對(duì)USB端口安裝、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步驟為：將USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器安裝到I／O系統(tǒng)設(shè)備表中，獲取USB控制器使用的中斷號(hào)，初始化USB驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與USB端口狀態(tài)寄存器，啟動(dòng)USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。 b) 打開(kāi)USB端口(USB_open())。USB_open函數(shù)允許應(yīng)用程序打開(kāi)一個(gè)USB端口和選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。 c) 關(guān)閉USB端口(USB_close())。USB_close函數(shù)允許應(yīng)用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。 d) 對(duì)USB端口進(jìn)行讀操作(USB_read())。USB_read函數(shù)允許應(yīng)用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數(shù)據(jù)。 e) 對(duì)USB端口進(jìn)行寫(xiě)操作(USB_write())。USB_write函數(shù)與USB_read函數(shù)功能類(lèi)似，允許應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)到輸入端口或控制端口。 f) 對(duì)USB設(shè)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(jié)包或短包中斷；控制端口0接收設(shè)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(fù)和復(fù)位。先識(shí)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(dāng)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(duì)列或回調(diào)函數(shù)的接收消息隊(duì)列發(fā)送中斷消息。 3.2.3 USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序 USB驅(qū)動(dòng)器初始化后，啟動(dòng)USB標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序負(fù)責(zé)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(dāng)USB應(yīng)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(zhí)行控制操作，響應(yīng)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，并負(fù)責(zé)通知USB應(yīng)用程序枚舉完成和接口活動(dòng)狀態(tài)，USB事件通過(guò)回調(diào)接口傳遞到USB外設(shè)應(yīng)用程序。當(dāng)對(duì)USB端口枚舉操作完成，USB應(yīng)用程序就可打開(kāi)并使用USB端口。 4 客戶(hù)應(yīng)用軟件 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的底層，需要極好的兼容性和穩(wěn)定性。對(duì)于廣大用戶(hù)而言，與系統(tǒng)的交互是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，因此，如何設(shè)計(jì)出運(yùn)行效率高、界面友好、穩(wěn)定性高的應(yīng)用程序是至關(guān)重要的因素。。VC++是開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序的主流開(kāi)發(fā)工具，充分利用它的面向?qū)ο筇匦缘腃++和功能強(qiáng)大的MFC來(lái)開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)級(jí)的應(yīng)用程序，MFC是一個(gè)強(qiáng)大的、擴(kuò)展的C++類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，它能使開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)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(qiáng)大的C語(yǔ)言與測(cè)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫(kù)函數(shù)。本設(shè)計(jì)就是采用Visual C++6.0和LabWindows／CV提供的Graph控件來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的，應(yīng)用程序的主要功能有：打開(kāi)／關(guān)閉USB設(shè)備，檢測(cè)USB設(shè)備，實(shí)現(xiàn)向USB設(shè)備發(fā)送指定數(shù)量的數(shù)據(jù)。 下面是各部分的一些代碼及說(shuō)明： 1) 查找、打開(kāi)USB設(shè)備 2) 線(xiàn)程(Thread) 線(xiàn)程就是程序中單獨(dú)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(tǒng)資源，只有運(yùn)行必須的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；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(zhuǎn)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(tái)線(xiàn)程)。本程序設(shè)計(jì)主要使用工作線(xiàn)程來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作等，它與用戶(hù)界面線(xiàn)程的區(qū)別是不用從CWinThread類(lèi)派生來(lái)創(chuàng)建，對(duì)它來(lái)說(shuō)最重要的是如何實(shí)現(xiàn)工作線(xiàn)程任務(wù)的運(yùn)行控制函數(shù)。 對(duì)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(yīng)用程序的其余部分并行運(yùn)行的函數(shù)，如Fun()，接著定義一個(gè)指向CWinThread對(duì)象的指針變量*pThread，調(diào)用AfxBeginThread(Fun，param，priori-ty)函數(shù)，返回值賦給pThread變量的同時(shí)啟動(dòng)該線(xiàn)程執(zhí)行上述Funl()函數(shù)，其中Fun是線(xiàn)程要運(yùn)行的函數(shù)的名字，亦即控制函數(shù)的名字，param是準(zhǔn)備傳送給線(xiàn)程函數(shù)Fun的任意32位值，priority是定義該線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)別，是預(yù)定義的常數(shù)，可參考MSDN。 本程序設(shè)計(jì)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(hào)波形，如普通連續(xù)波信號(hào)波形、單載頻矩形脈沖信號(hào)波形、調(diào)頻(非線(xiàn)性調(diào)頻)脈沖壓縮信號(hào)波形和二相編碼波形等。圖4為各類(lèi)信號(hào)波形圖。這些信號(hào)均為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)，可由DDS(直接數(shù)字頻率合成器)芯片AD9858實(shí)現(xiàn)。 將圖4中各類(lèi)信號(hào)波形的頻率、寬度、幅度和載頻信號(hào)頻率等參數(shù)讀出來(lái)，分別進(jìn)行一些計(jì)算，將計(jì)算出的結(jié)果通過(guò)USB口傳送到DDS來(lái)產(chǎn)生波形；其他公共參數(shù)如"DDS時(shí)鐘頻率"根據(jù)實(shí)際采用的時(shí)鐘頻率設(shè)置。比如線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，一般關(guān)心的是一個(gè)信號(hào)的帶寬、起始頻率和調(diào)頻斜率這3個(gè)值。這3個(gè)參數(shù)其實(shí)就是信號(hào)波形中的起始頻率fs、終止頻率f0和持續(xù)時(shí)間t，它們是等價(jià)的，現(xiàn)在把這些參數(shù)的值從測(cè)試信號(hào)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(shè)為1 GHz；DFRRW為步進(jìn)頻率斜率控制字，它的值設(shè)為1，代表每8 ns更新一次。最后把計(jì)算出的DFTW(步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字)值通過(guò)USB口傳送到DDS。 另外，二相編碼的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)控制DDS的POW(相位補(bǔ)償字)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)改變PSO和PS1的值，就可以改變信號(hào)的相位，而且相位的改變可以是絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)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(cè)試信號(hào)波形中的參數(shù)讀出來(lái)，代人POW=214W／360中，其中W為波形的相位值，再把計(jì)算出的POW值通過(guò)USB口傳送到DDS即可。 6 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)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(yīng)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(kù)函數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制時(shí)，具有界面友好、兼容性和工作可靠、穩(wěn)定等特點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用證明，本設(shè)計(jì)合理，使用方便，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，很容易實(shí)現(xiàn)高速度傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。 |
