基于LabVIEW的 無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

引 言
    通用串行總線USB(Universal Serial Bus)作為一種新型的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有即插即用、支持熱插撥、易于擴展、傳輸速度快、性價比高等優(yōu)點；短距離無線通信技術(shù)是未來計算機和外設(shè)間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它具有分布靈活、使用簡單、幾乎不受空間條件限制等特點。USB緊跟通信技術(shù)的無線化趨勢，2004年，惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導(dǎo)體、三星電子等多家大公司成立了WUSB(Wireless USB)的促進聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡單，實現(xiàn)無線化。Cypress公司推出了低成本的芯片級遠距離2．4 GHz射頻系統(tǒng)一一Wireless USB LR方案，與ZigBee和藍牙等復(fù)雜且昂貴的無線網(wǎng)絡(luò)方案相比，Wireless USB LR憑借其出色的遠程無線通信能力和低廉的系統(tǒng)成本，將無線系統(tǒng)的應(yīng)用擴展到建筑、家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療檢測、傳呼系統(tǒng)和顯示設(shè)備等領(lǐng)域。所以說，如果將無線和USB完美結(jié)合，在保證數(shù)據(jù)采集速率的前提下，可以使得數(shù)據(jù)傳輸更加方便，與PC接口也更加簡單。
    通常開發(fā)USB系統(tǒng)時，先用Windows DDK(設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如Driver Studio)開發(fā)USB驅(qū)動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(tài)連接庫)，最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應(yīng)用程序，這對不熟悉Win—dows編程的人有一定的難度；而USB應(yīng)用程序也大都是使用Visual C++來編寫的，過程繁瑣，調(diào)試麻煩，花費的時間也比較長。
    美國國家儀器NI(National Instlrument)公司開發(fā)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)語言是一種基于圖形程序的編程語言，含有豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及控制等子程序，易于調(diào)試和維護，且程序編程簡單、直觀?？梢灾苯釉贚abVIEW環(huán)境下通過NI一VISA(Virtual Instlrument Software Architecture，以下簡稱為“VISA”)開發(fā)驅(qū)動程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅(qū)動程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。用它來開發(fā)應(yīng)用程序，把采集來的數(shù)據(jù)傳送到主機上，再通過LabVIEW的模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析和存儲。
    本設(shè)計將利用Cypress公司的CYWUSB6935來實現(xiàn)無線USB的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過LabVIEW來簡化開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期。

1 無線USB與LabVIEW概述
1．1 無線USB和CYWUSB6935芯片
    無線USB技術(shù)是一個全新的通信標(biāo)準(zhǔn)。它通過USB接口和最先進的無線通信技術(shù)擴展了設(shè)備之間的連通性，最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控于高斯單周期超短時脈沖；具有傳輸速度快、功耗小、移植方便、安全性高等優(yōu)點；最大的特點是傳輸速率高，3 m距離的最大傳輸速率達480 Mbps，其性能與現(xiàn)有的USB2．O相同。雖然在傳輸距離上，WUSB性能沒有達到USB2．0所規(guī)定的最長5 m的距離，但對置于計算機周圍的設(shè)備來說，3 m的距離已經(jīng)足夠了。一般情況下，通信距離越長，速率越慢；因此WUSB規(guī)定10 m的傳輸速率為110 Mbps。10 m足以覆蓋當(dāng)前家庭的居室，此距離的速率已經(jīng)超過了目前的WLAN。
    無線USB和有線USB2．0一樣，它也能處理4種傳輸形式，即控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸。主機和無線USB設(shè)備合稱WUSB集群，采用星型拓撲，不需要WUSB集線器，WUSB主機能直接連接多達127個設(shè)備。主機支持8種數(shù)據(jù)速率：53．3 Mbps、80 Mbps、106．7Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480Mbps。設(shè)備必須支持3種數(shù)據(jù)速率53．3 Mbps、106．7Mbps、200 Mbps，其他5種為可選數(shù)據(jù)率。
    針對無線傳輸?shù)默F(xiàn)狀，Cypress公司推出了低成本、高集成度的芯片CYWUSB6935，CYWUSB6935芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    CYWUSB6935內(nèi)部集成了串行數(shù)據(jù)接口(SPI)、串并／并串轉(zhuǎn)換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2．4 GHz的射頻收發(fā)器；采用高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)器(GFSKModem)和直接順序擴展頻譜(DSSS)數(shù)字基帶模塊；用戶可以通過控制信號靈活地設(shè)置射頻和數(shù)字基帶部分。為了進一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個擴頻編碼調(diào)制到78個1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶提供3 822個獨立的頻道，讓每個主系統(tǒng)能夠連接多組外圍設(shè)備，且通信距離可達到50 m或更遠。
    WUSB6935有4種工作模式：64 chips／bit單通道、32chips／bit雙通道、32 chips／bit單通道雙倍采樣和32chips／bit單通道雙倍數(shù)據(jù)速率。該系統(tǒng)選用32 chips／bit單通道雙倍采樣。模式選擇通過配置REG—DATA—RATE(0X04)來實現(xiàn)。接收和發(fā)射均采用中斷的方式。中斷的方式有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個IRQ引腳。配置REG(0XOD)使得發(fā)射中斷使能，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(0XOF)，數(shù)據(jù)便通過RFOUT引腳發(fā)送出去。接收中斷使能寄存器為REG(0X07)，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器REG(0X08)可以確定中斷類型，然后從相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收寄存器中獲得相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)。
1．2 LabVIEW和NI VISA
    LabVIEW是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號處理以及數(shù)據(jù)表達等方面，它提供了一種全新的編程方法，即對軟件對象“虛擬儀器(VI)”進行圖形化的組合操作。LabVIEW程序的執(zhí)行順序是按數(shù)據(jù)流的方式確定的，可以實現(xiàn)多任務(wù)的并行。用戶通過創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，而且程序簡單、直觀。
    LabVIEW的應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，包括3部分：前面板(front panel)，是LabVIEW程序的圖形用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板；框圖程序(block diagram)，提供VI的圖形化源程序，是利用圖形語言編程控制和定義在前面板上的輸入和輸出功能；圖標(biāo)／連結(jié)器(icon／connector)，用于把Lab—VIEW程序定義成一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程。
    NI—VISA也是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口(API)。VISA總線I／0軟件是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試。本文介紹的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用它開發(fā)USB驅(qū)動，大大簡化了開發(fā)過程。

2 無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計
    該無線USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    該系統(tǒng)使用了128引腳的CY7C68013單片機以及CYWUSB6935射頻模塊，其硬件設(shè)計框圖如圖3所示。
    CY7C68013是Cypress公司的EZ—USB FX2系列芯片。其芯片固件存儲在主機上而不是在芯片內(nèi)部，顯著特點是代碼升級容易。該系列芯片集成了USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、帶8．5 KB片上RAM的增強型8051、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I／0口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。CYWUSB6935的SPI四個引腳(MOSI、MISO、SS、SCK)支持兩種傳輸模式——單字節(jié)模式和序列多字節(jié)模式。為了提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用序列多字節(jié)模式。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計分為3部分：設(shè)備固件程序、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序，如圖4所示。

    設(shè)備固件(firmware)程序在主機上調(diào)試編譯完后，枚舉時下載到RAM內(nèi)，它使得USB接口芯片與主機和外設(shè)中的其他電路能夠通信，因此固件程序包括響應(yīng)主機要求部分和控制外設(shè)部分。利用Cypress公司提供的固件框架來開發(fā)固件，可以簡化固件開發(fā)過程。
    驅(qū)動程序是LabVIEW與USB接口的驅(qū)動程序，應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI(USB Device Interface)進行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作；固件響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請求，完成數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。
2．2．1 設(shè)備固件程序設(shè)計
    Cypress公司提供了固件框架來開發(fā)框架，在Keil C51下開發(fā)，該框架主要由以下幾部分組成：
    ①FW．C中包含程序框架的MAIN函數(shù)，由于Cy—press公司已經(jīng)精心劃分了這部分的功能，所以一般不用改動。
    ②PERIPH．C是用戶函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義，這部分需要根據(jù)自己系統(tǒng)的需要實例化這個文件，以實現(xiàn)特定的功能。
    ③TD_Init函數(shù)是在設(shè)備重枚舉和任務(wù)調(diào)度啟用之前調(diào)用，用來初始化用戶的全局狀態(tài)變量，并負責(zé)對USB端點進行初始化設(shè)置。在本設(shè)計中將端點2設(shè)置為1 024個字節(jié)，4重緩沖，自動輸入模式。
    ④TD_Poll函數(shù)是系統(tǒng)中循環(huán)任務(wù)的處理函數(shù)，主要負責(zé)對各個端點的狀態(tài)進行查詢，處理各種IN和0UT端點的交互。
    ⑤Ezusb．lib和USBJmpTb．OBJ分別為EZUSB函數(shù)庫的二進制文件和USB的中斷向量表。
    ⑥D(zhuǎn)SCR．a(chǎn)51是描述符文件，包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述符、類描述符和用戶指定的描述符。
2．2．2  LabVIEW中調(diào)用VISA
    當(dāng)進行USB通信時，VISA提供了兩類函數(shù)供Lab—VIEW調(diào)用：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USBINSTR設(shè)備是符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，通信時無需配置VISA；而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備，通信時要配置VISA。該系統(tǒng)是USB RAW設(shè)備，故需要配置VISA。配置VISA的步驟如下：
    ①使用Driver Development wizard(驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔。打開VISA Driver Developer Wizard，然后選擇USB，進入VISA DDW基本設(shè)備信息窗口(在這一步確認(rèn)USB設(shè)備的供應(yīng)商ID和產(chǎn)品ID)，接下來填寫USB儀器前綴，用來識別本設(shè)備所用的相關(guān)文檔，這時INF文檔就被保存到指定的位置。
    ②安裝INF文檔及使用INF文檔的USB設(shè)備。
    ③使用VISA Interactive Control(VISA互動控制工具)對設(shè)備進行測試，以證實USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。
    USB設(shè)備安裝完畢后，就可以與VISA進行簡單的通信。VISA支持3種類型的USB管道：控制、批量和中斷。VISA探測到USB儀器時，會對儀器進行自動掃描，尋找各種類型的最低可用端點。VISA探測到最低可用端點后，即將該值賦予適當(dāng)?shù)腣ISA屬性。bulk in端點和bulk out端點分別存儲在VI_ATTR_USB_BULK_IN_PIPE屬性和VI_ATTR_USB_BULK_OUT_PIPE屬性之中。interrupt in端點存放在VI_ATTR_USB_INTR_IN_PIPE屬性之中。如果值為一1，則表示USB設(shè)備不支持這種類型的管道。對于控制型管道，只有端點O才受到支持。在LabVIEW中，應(yīng)使用“Write VISA Property(寫入VISA屬性)”節(jié)點。VI-SA有4種通過USB管道傳輸數(shù)據(jù)的功能。在能夠使用這些功能與設(shè)備進行通信之前，還需要使用VISA USB屬性建立通信協(xié)議。使用VISA USB Contro1 In和VISA USBContro1 0ut來控制管道傳輸數(shù)據(jù)，并用此來獲得USBRAW設(shè)備的各種描述符。另外使用VISA Read和VISAWrite選擇批量管道來傳輸目標(biāo)數(shù)據(jù)。通過上述方法成功實現(xiàn)了LabVIEW與USB驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了以LabVIEW為平臺的無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

結(jié) 語
    實驗證明，采用無線USB系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將USB接口和短距離無線通信的優(yōu)點有機地結(jié)合起來，不僅能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸率，而且改變了數(shù)據(jù)的傳輸方式，由傳統(tǒng)的有線傳輸改為無線傳輸，使傳輸系統(tǒng)更加方便、可靠、高速。除此之外，無線USB憑借其完美的性能和低廉的成本，可以滿足無線領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò)端的需求，將成為未來無線通信的主流。采用基于NI—VISA驅(qū)動USB接口和LabVIEW開發(fā)應(yīng)用程序的設(shè)計方法，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)時間，使得該系統(tǒng)性價比較高，通用性較好。隨著USB技術(shù)和短距離無線通信的進一步發(fā)展，WUSB會表現(xiàn)出更好的性能，應(yīng)用范圍將日趨廣泛。集成了無線USB接口和LabVIEW語言的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，易于開發(fā)、數(shù)據(jù)處理簡單。