基于USB總線和Aduc831單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

由于信息網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，經(jīng)常需要將各種設(shè)備與主機相連，傳統(tǒng)的外設(shè)與主機的通訊接口一般是基于PCI總線、ISA總線或者是RS-232C串行總線。 PCI總線雖具有高的傳輸速度(132Mbps)，支持"即插即用"功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限(一般為5～6個)。ISA總線顯然存在著同樣的問題。RS-232C串行總線雖然連接簡單，但其缺點是傳輸速度慢(56kbps). 而通用串行總線(Universal Serial Bus,簡稱USB)的出現(xiàn)能很好地解決以上這些沖突。我們利用新型高性能單片機Aduc831設(shè)計了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1. USB簡介

1.1 USB特點

USB的英文全稱為Universal Serial Bus,它是一種快速、雙向、同步傳輸?shù)牧畠r的并可以進行熱拔插的串行接口。它的特點主要有:

1)速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。

2) 設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計算機。所有USB設(shè)備均支持熱插拔，且易于擴展。

3) 使用靈活。USB共有４種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

1.2 USB總線協(xié)議

USB總線屬一種輪訊方式的總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。

每一總線執(zhí)行動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包。按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開始時，主機控制器發(fā)送一個描述傳輸運作的種類、方向，USB設(shè)備地址和終端號的USB數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包通常稱為標志包(token packet)。USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機到設(shè)備就是從設(shè)備到主機。在傳輸開始時，由標志包來標志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的 USB數(shù)據(jù)傳輸，在主機和設(shè)備的端口之間，可視為一個通道。存在兩種類型的通道：流和消息。流的數(shù)據(jù)不像消息的數(shù)據(jù)，它沒有USB所定義的結(jié)構(gòu)，而且通道與數(shù)據(jù)帶寬、傳送服務(wù)類型，端口特性（如方向和緩沖區(qū)大?。┯嘘P(guān)。多數(shù)通道在USB設(shè)備設(shè)置完成后即存在。USB中有一個特殊的通道——缺省控制通道，它屬于消息通道，當設(shè)備一啟動即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、查詢狀況和輸入控制信息提供一個入口。

2. 硬件設(shè)計

2.1  Aduc831簡介

ADuC831 是一個完全綜合的247 k采樣保持數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在同一片中 結(jié)合了高性能的自校準12位 ADC 多路通道，雙12位 DAC通道和可編程8位 MCU。微處理器核心是 8052,提供片內(nèi) 62 kB 非易失性閃速/電擦除程序存儲器。還提供片內(nèi) 4 kB 非易失性閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器、256 b RAM 和2 kB 擴展 RAM。

ADuC831 還提供額外的電源監(jiān)視器, 和一個高精度參考源。片內(nèi)數(shù)字外圍設(shè)備包括2個16位Σ-Δ DAC, 雙輸出16位 PWM,看門狗定時器, 定時間隔計數(shù)器,3個定時器/計數(shù)器, 定時器 3用于波特率產(chǎn)生核 串行接口 I/O (I2C, SPI 和UART) 。

并且片內(nèi)提供串行下載和調(diào)試模式 (通過 UART), 并且通過EA引腳提供單引腳競爭模式。ADuC831 支持 QuickStart™ 和 QuickStart Plus 升級系統(tǒng)和低成本的軟件和硬件工具。

2.2  USBN9603簡介

USBN9603是一個集成的USB端點控制器，具有增強的DMA功能。USBN9603集成了一個帶有3．3V的調(diào)節(jié)器的收發(fā)器，1個SIE(串行接口引擎)，1個8 b并行接口，1個時鐘發(fā)生器和1個MICROWIRE／PLUS接口。USBN9603可以進行7個端點的數(shù)據(jù)傳輸，除了1個端點必須為控制傳輸端點以外，其他的6個端點可以被配置成中斷傳輸端點、批量傳輸端點或者等時傳輸端點；每一個端點都有一個專門的FIFO，控制端點的FIFO長度為8B，其他的為64B。8 b并行接口可以支持多路復(fù)用或者非多路復(fù)用2種與CPU的接口方式。USBN9603的突出特點為：低EMI(電磁干擾)，低等待電流，24M晶振，增強的DMA功能；可使用5V或3．3V電源；總線操作具有異步喚醒的全速靜態(tài)HALT模式；改進的3．3V電壓輸入的電壓調(diào)節(jié)器，所有非雙向端點都有64B 的FIFO；外部控制器接口簡單，編程方便。

2.3 原理圖設(shè)計

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要由Aduc831芯片、USB接口芯片USBN9603組成。硬件結(jié)構(gòu)簡單,硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

模擬輸入信號A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數(shù)據(jù)進行處理，然后Aduc831系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲器中讀出,由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線（D+、D-）送至主機。

當USB控制器從USB總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求后，通過中斷方式將此請求通知Aduc831系統(tǒng)，Aduc831系統(tǒng)通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應(yīng)的操作，以完成主機的傳輸請求。Aduc831與USBN9603接口電路如圖2所示。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計                     

系統(tǒng)軟件主要包括:控制程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序。

3.1 控制程序

控制程序就是指在Aduc831中運行的程序,對USB控制器的操作是嚴格按照USB協(xié)議1.1進行的。在實際開發(fā)中使用了控制傳輸和塊傳輸兩種傳輸方式?？刂苽鬏斨饕脕硗瓿芍鳈C 對設(shè)備的各種控制操作，也就是用來實現(xiàn)位于主機上的USB總線驅(qū)動程序  (USBD.SYS)以及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作。塊傳輸主要用來完成主機和設(shè)備間的大批量數(shù)據(jù)傳輸以及對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測(若發(fā)生錯誤,它支持“重傳”功能)。

控制程序主要功能有控制A/D采樣, 控制USBN9603接受并處理USB驅(qū)動程序的請求及應(yīng)用程序的控制指令。因為Aduc831帶有串口下載功能,所以可以很方便的通過串口將程序下載到Aduc831中,不用仿真機,不用傳統(tǒng)的方法向EEPROM中燒制程序,所以調(diào)試起來非常方便?？刂瞥绦蛄鞒獭⒅袛嗵幚沓绦蛉鐖D3、4所示。

3.2  USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

USB設(shè)備驅(qū)動程序基于WDM。WDM型驅(qū)動程序是內(nèi)核程序，與標準的Win32用戶態(tài)程序不同。采用了分層處理的方法, 較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊（USBD）和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊（HCD）。USB設(shè)備驅(qū)動程序不必具體對硬件編程，所有的USB命令、讀寫操作通過總線驅(qū)動程序轉(zhuǎn)給USB設(shè)備。但是，USB設(shè)備驅(qū)動程序必須定義與外部設(shè)備的通訊接口和通訊的數(shù)據(jù)格式，也必須定義與應(yīng)用程序的接口。Windows 98／2000提供了一系列的系統(tǒng)驅(qū)動程序，他們具有為許多標準類型設(shè)備服務(wù)所需的所有基本功能，用戶按照提示可以定義設(shè)備的配置和功能，然后做功能的修改即可?？梢园裊SB設(shè)備驅(qū)動程序的功能劃分成4個不同的模塊來實現(xiàn)：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I/O功能實現(xiàn)模塊。初始化模塊提供1個入口函數(shù)DriverEntry()，在DriverEntry中，需要提供一個AddDevice例程，把驅(qū)動程序添加到驅(qū)動程序堆棧中去。另外，所有對各種IRP（I/O請求包）的處理例程都在此入口函數(shù)中作為定義。
DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,…) //驅(qū)動程序入口
{
DriverObject->DriverExtension->AddDevice=USBAddDevice;
DriverObject->DriverUnload=USBUnload;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=USBRead;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]=USBWrite；
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = USBDeviceControl;
RegisterForPnpNotification(DriverObject);
return status;
}

即插即用管理模塊用來實現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動態(tài)配置。當硬件檢測到有USB設(shè)備接入時，Windows98查找響應(yīng)的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的 DriverEntry例程。PnP（即插即用）管理器調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程，告訴它添加了一個設(shè)備。在此處理過程中，驅(qū)動程序收到一個設(shè)備啟動請求（IRP_MN_START_DEVICE）的IRP。同理，當要拔除時，PnP管理器會發(fā)出一個設(shè)備刪除請求（IRP_MN_REMOVE_DEVICE）的IRP，由驅(qū)動程序進行處理。通過對這些PnP請求的處理，可支持設(shè)備的熱插拔和即插即用功能。

電源管理模塊負責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。

I/O功能實現(xiàn)模塊完成I/O請求的大部分工作。若應(yīng)用程序想對設(shè)備進行I/O操作，它便使用Windows API函數(shù)，對WIN32子系統(tǒng)進行WIN32調(diào)用。此調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收并通知I/O管理器，I/O管理將此請求構(gòu)造成一個合適的I/O請求包（IRP）并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到這個IRP以后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼，構(gòu)造相應(yīng)的USB請求塊并把此 URB（USB請求塊）放到一個新的IRP中。然后，把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動程序，USB總線驅(qū)動程序根據(jù)IRP中所含的URB執(zhí)行相應(yīng)的操作（如從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)等），并把操作結(jié)構(gòu)通過IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到此IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還給 I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中操作結(jié)果返還給應(yīng)用程序，至此應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備的一次I/O操作完成。

結(jié)束語:

USB為計算機外設(shè)輸入輸出提供了新的接口標準。它使設(shè)備具有熱插拔，即插即用，自動配置的能力，并標準化設(shè)備連接, 還可與MAX485結(jié)合起來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集。該系統(tǒng)具有可靠性高、性價比高和多點采集等優(yōu)點。而USB2.0標準具有更高的傳輸速率，更具有美好的應(yīng)用前景。

參考文獻:
1. Aduc831 datasheet.             Analog device.
2. USB1.1．     Universal serial bus specification S.
3. 張念淮、江浩.《USB總線接口開發(fā)指南》 國防工業(yè)出版社.