彈上通信系統(tǒng)的LabVIEW與單片機(jī)的通信技術(shù)

摘要：結(jié)合某型信息化彈藥彈上電子器件通信問題研究，以C8051F340單片機(jī)為例，介紹了單片機(jī)與LabVIEW進(jìn)行USB通信的3種方法。針對LabVIEW，實(shí)現(xiàn)USB通信的方式有：利用CIN(代碼接口節(jié)點(diǎn))，調(diào)用DLL(動態(tài)鏈接庫)，通過VISA(虛擬儀器軟件架構(gòu))。對這3種方式進(jìn)行詳細(xì)的介紹和比較，并給出結(jié)論。
關(guān)鍵詞：信息化彈藥；LabVIEW；USB；C8051F340；DLL；VISA

引言
    某型信息化彈藥通過對目標(biāo)的基準(zhǔn)彈道與飛行中的攻擊彈道進(jìn)行比較后，給出有限次不連續(xù)的修正量來修正攻擊彈道，以減少彈著點(diǎn)誤差，提高彈丸對付高速機(jī)動飛行目標(biāo)的命中精度，或提高遠(yuǎn)程打擊精度。該信息化彈藥的基本結(jié)構(gòu)就是在常規(guī)炮彈上加裝彈道修正模塊，彈道修正模塊主要由微控制器根據(jù)基準(zhǔn)彈道修正攻擊彈道參數(shù)來提高命中率。
    在傳感器及信號調(diào)理電路的基礎(chǔ)上，選用高速單片機(jī)、快速的數(shù)據(jù)傳輸總線以及LabVIEW應(yīng)用程序，可快速開發(fā)一個(gè)簡單實(shí)用的信息化彈藥彈道控制通信系統(tǒng)模型。本通信系統(tǒng)模型用USB總線，在PC機(jī)與USB設(shè)備間實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信，在軟件方面通常要完成以下設(shè)計(jì)：USB設(shè)備固件編程、USB設(shè)備驅(qū)動編程和PC機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)彈道修正模塊用Silicon Labs公司的全速USB Flash微控制器C8051F340，上位機(jī)PC采用LabVIEW編寫應(yīng)用程序。與C8051F340進(jìn)行USB通信主要有3種方式：利用CIN調(diào)用開發(fā)USB設(shè)備的外部代碼；調(diào)用DLL對USB設(shè)備進(jìn)行操作；通過VISA訪問USB設(shè)備。下面分別進(jìn)行介紹和比較。

1 利用CIN調(diào)用開發(fā)USB設(shè)備外部代碼
    CIN(Code Interface Node，代碼接口節(jié)點(diǎn))是LabVIEW中通過參數(shù)傳遞來調(diào)用C／C++代碼的節(jié)點(diǎn)，可以利用USB設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的C／  C++代碼，將代碼集成并作為一個(gè)單獨(dú)的VI發(fā)布，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理。這種實(shí)現(xiàn)方法相當(dāng)于在LabVIEW下利用CIN對USB設(shè)備編寫驅(qū)動程序。以C8051F340端口1IN批量傳輸為例。規(guī)定使用端口1IN批量傳輸且最大包長度為128字節(jié)，假設(shè)端點(diǎn)1IN的緩沖區(qū)地址為0x7E00～0x7E8F。主機(jī)通過不斷發(fā)送IN令牌請求USB執(zhí)行IN傳輸，C8051F340會通過將端點(diǎn)字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器(N1CNT)加載，以示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，同時(shí)將一個(gè)IN數(shù)據(jù)包裝入端點(diǎn)的IN FIFO并將INPRDY位(EINCSR L．O)位置1。利用CIN調(diào)用USB設(shè)備的外部代碼的一般步驟如下：
    ①創(chuàng)建CIN節(jié)點(diǎn)。CIN節(jié)點(diǎn)位于“函數(shù)選板”一“互連接口”一“庫與可執(zhí)行庫文件”子選板下。根據(jù)設(shè)備的參數(shù)需要增加外部代碼的輸入／輸出端口。
    ②創(chuàng)建C源文件。右擊CIN并選擇創(chuàng)建C8051F340UsbInl．c文件選項(xiàng)，對打開的程序修改如下：

    ③編譯C8051F340UsbInl．c文件，生成可被LabVIEW執(zhí)行的C8051F340UsbInl．1sb。以VC++為例編譯CIN節(jié)點(diǎn)源文件。在VC++下創(chuàng)建C8051F340UsbInl．mak文件，內(nèi)容如下：

    在VC++下點(diǎn)擊new＼project＼make file，輸入文件名C8051F340UsbInl后點(diǎn)擊為OK和Finish按鈕。將C8051F340UsbInl．c和C8051F340U-sbInl．mak一起復(fù)制到C8051F340UsbInl文件夾下，重新打開C8051F340UsbInl工作臺，按F7可生成C8051F340UsbInl．1sb文件。
    ④右擊選用的CIN圖標(biāo)，選擇“加載代碼資源”并選擇C8051F340UsbInl．1sb文件。至此，一個(gè)基于CIN的讀USB端口1的VI創(chuàng)建完畢。
   上面是一個(gè)利用CIN創(chuàng)建開發(fā)USB驅(qū)動的VI的步驟，實(shí)際開發(fā)過程要麻煩很多，需要對設(shè)備及通信協(xié)議相當(dāng)熟悉。因此，利用CIN實(shí)現(xiàn)USB通信受到一些限制。

2 調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)USB通信
    開發(fā)USB設(shè)備時(shí)，不僅要面向USB控制器編程還要面向Windows編程(如果上位機(jī)用Windows操作系統(tǒng))，對不熟悉USB協(xié)議的用戶而言是個(gè)難題。為了縮短用戶開發(fā)USB設(shè)備時(shí)間，生產(chǎn)廠家往往會把對USB設(shè)備進(jìn)行操作的函數(shù)封裝成DLL(Dynamic Link Library，動態(tài)鏈接庫)提供給用戶。dll文件是一種可執(zhí)行文件，允許程序共享執(zhí)行特殊任務(wù)必需的代碼和其他資源，與語言無關(guān)，可以被任何支持DLL的語言編寫的應(yīng)用程序訪問。
    Silicon Labs公司針對USB系列單片機(jī)為USB驅(qū)動程序開發(fā)提供了USBXpress開發(fā)套件，其中的SiUSBXp．dll包含了23個(gè)函數(shù)。一個(gè)簡單的USB通信程序，通常要用到SiUSBXp．dll中的SI_GetNumDevices、SI_SetTimeouts、SI_Open、SI_Read、SI_Write和SI_Close等幾個(gè)函數(shù)。在LabVIEW中調(diào)用dll文件有兩種方法，下面將分別介紹。
    首先是利用CLF(調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn))節(jié)點(diǎn)調(diào)用SiUSBXp．dll，一般步驟如下：
    ①放置CLF節(jié)點(diǎn)并通過路徑加載dll文件。CLF節(jié)點(diǎn)位于“函數(shù)選板”一“互連接口”一“庫與可執(zhí)行庫文件”子選板下。
    ②在加載的dll文件里選擇要用到的函數(shù)并進(jìn)行參數(shù)配置。根據(jù)USBXpress開發(fā)手冊，對每一個(gè)被調(diào)用的函數(shù)配置合適的參數(shù)。
    ③配置參數(shù)完成之后，每一個(gè)函數(shù)就是一個(gè)VI，可在LabVIEW程序中調(diào)用。
    其次是通過導(dǎo)入共享庫的方法調(diào)用SiUSBXp．dll。
    導(dǎo)入共享庫的實(shí)質(zhì)是將dll文件中的函數(shù)自動生成對應(yīng)的VI。函數(shù)的每個(gè)參數(shù)可在頭文件包含以及預(yù)處理定義條件下在生成的VI中顯示出來，與利用CLF相比較，省去了手動配置參數(shù)的步驟。使用方法如下：新建一個(gè)VI，點(diǎn)擊“工具”一“導(dǎo)入共享庫”，選擇為用戶創(chuàng)建共享庫；點(diǎn)擊下一步，在“選擇共享庫及頭文件”頁面加載．dll文件和．h文件的路徑；點(diǎn)擊下一步，在預(yù)處理定義中添加預(yù)處理說明(如果需要添加)；點(diǎn)擊下一步，等待解析頭文件并選擇待轉(zhuǎn)換函數(shù)；點(diǎn)擊下一步，進(jìn)行項(xiàng)目庫設(shè)置配置，連續(xù)點(diǎn)擊下一步，直至所有選中的函數(shù)生成VI存放用戶庫里(默認(rèn)狀態(tài))。調(diào)用時(shí)，在“函數(shù)選板”一“用戶庫”一“SiUSBXp”，選擇在LabVIEW程序設(shè)計(jì)中用到的VI。
    以上兩種調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)USB通信的方法具體操作不一樣，但本質(zhì)都是利用USB廠家提供的dll文件訪問USB設(shè)備。圖1為LabVIEW調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單USB通信的流程。

    LabVIEW通過調(diào)用dll文件大大縮減了實(shí)現(xiàn)USB通信開發(fā)工作量，但最關(guān)鍵也是最難的一步在于給函數(shù)配置參數(shù)。通常來講，DLL主要用C／C++等文本語言開發(fā)，有些參數(shù)類型和LabVIEW不匹配，直接調(diào)用無法正常使用。為了解決這個(gè)問題，需要用戶對參數(shù)進(jìn)行修改或者對原有的dll文件進(jìn)行二次開發(fā)，加大了工作量。
    值得一提的是，USBXpress開發(fā)套件除了包含面向主機(jī)的dll文件，還包括面向USB器件的驅(qū)動文件和USBX_F34X LIB及USB_API．h文件，封裝了USB協(xié)議的細(xì)節(jié)，大大簡化了USB固件編程。一個(gè)典型的利用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB通信的程序流程如圖2所示。程序是在SiliconLabs集成開發(fā)環(huán)境下編譯調(diào)試的。

    不管利用CIN，還是調(diào)用DLL，都可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW訪問USB設(shè)備，但并不能很好地體現(xiàn)LabVIEW的優(yōu)勢。因?yàn)橥ㄟ^CIN和DLL，不用LabVIEW也可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)編程。實(shí)際上，LabVIEW還有獨(dú)特的訪問USB設(shè)備的方法，即通過VISA訪問USB設(shè)備。

3 通過VISA訪問USB設(shè)備
    VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虛擬儀器軟件架構(gòu))是一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口(API)，包括GPIB、USB、串口、PXI／PCI、VXI、火線和以太網(wǎng)。它是計(jì)算機(jī)與儀器的軟件連接層，本身不具備編寫儀器驅(qū)動的能力，通過調(diào)用特定儀器驅(qū)動與儀器的通信。
    NI-VISA從3．0版開始支持USB通信，它有兩種VISA類函數(shù)(Resource Class)，可以控制兩類USB設(shè)備：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。U-SB INSTR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(shí)無需配置NI-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(shí)要配置NI-VISA。C8051F340是USB RAW設(shè)備，故欲實(shí)現(xiàn)與LabVIEW進(jìn)行USB通信，可通過NI公司提供的VISA Driver Wizard進(jìn)行配置。步驟如下：
    ①按照“程序”一“National Instruments”一“VISA”一“Driver Wizard”選擇USB并點(diǎn)擊Next，進(jìn)入U(xiǎn)SB-DeviceInformation界面。
    ②在USB Vendor ID欄和USB Product ID欄分別填寫USB設(shè)備的PID號和VID號。另外兩欄分別是Manufacturer Name和Mode Name欄，選填。每一個(gè)USB設(shè)備都有唯一的PID號和VID號，它們是主機(jī)識別不同USB設(shè)備的根據(jù)。
    ③生成并安裝inf文件，為USB設(shè)備創(chuàng)建PNF文檔。持續(xù)點(diǎn)擊Next，并為文件命名。高版本的VISA可發(fā)自動創(chuàng)建PNF文檔。
    ④連接USB設(shè)備。USB具有熱拔插功能，所以Windows能夠探測到USB設(shè)備，并立即會打開“添加新硬件向?qū)?rdquo;，很快完成USB設(shè)備驅(qū)動程序的安裝。
    至此，主機(jī)已將NI-VISA作為訪問USB設(shè)備的底層驅(qū)動，在LabVIEW程序中即可利用VISA選板的VI設(shè)計(jì)通信程序。
    圖3是一個(gè)基于NI-VISA編寫的LabVIEW與C8051F340進(jìn)行USB通信的程序框圖。設(shè)備的PID和VID分別是0x10C4和0x0005，單片機(jī)使用端點(diǎn)2IN，采用中斷傳輸方式；LabVIEW程序中用VISA事件處理和獲取USB中斷等VI。

    通過NI-VISA實(shí)現(xiàn)LabVIEW與單片機(jī)進(jìn)行USB通信，大大減小了工作量，同時(shí)很好地發(fā)揮了LabVIEW的特點(diǎn)。

結(jié)語
    對實(shí)現(xiàn)LabVIEW與C8051F340單片機(jī)USB通信的3種方式進(jìn)行比較，結(jié)論如下：
    ①通過CIN節(jié)點(diǎn)訪問USB可以充分利用設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的C語言編寫的驅(qū)動程序及源程序，發(fā)揮C語言的優(yōu)勢；但要求用戶非常熟悉USB協(xié)議，這種實(shí)現(xiàn)方法相當(dāng)于在LabVIEW下用CIN對USB設(shè)備編寫驅(qū)動程序，使用較為麻煩。
    ②通過調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)USB通信，可以利用生產(chǎn)廠家提供的dll文件，發(fā)揮dll文件的優(yōu)勢；但由于dll文件的數(shù)據(jù)格式通常和LabVIEW不完全匹配，往往需要修改參數(shù)或者對dll文件進(jìn)行二次開發(fā)，需要具備開發(fā)dll文件的能力，也比較麻煩。
    ③通過NI-VISA可以充分發(fā)揮LabVIEW的優(yōu)勢，無需熟悉傳統(tǒng)文本語言編程，極大方便上位機(jī)的編程。
    ④就單片機(jī)在USB設(shè)備固件編程的工作量而言，通過NI-VISA方式與通過CIN方式相當(dāng)，比通過USBXpress開發(fā)套件的工作量大。
    結(jié)合實(shí)現(xiàn)LabVIEW與C8051F340USB通信總體軟件編程任務(wù)，從工程應(yīng)用角度進(jìn)行比較，如表1所列。

    對于一般情況下基于LabVIEW的上下位機(jī)USB通信，建議通過調(diào)用DLL或者使用VISA實(shí)現(xiàn)USB通信，具體采用哪種方式，還要結(jié)合系統(tǒng)具體要求而定。