USB總線數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，介紹了WDM驅(qū)動(dòng)程序的工作原理，設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，并給出一個(gè)實(shí)現(xiàn)塊傳輸?shù)腢SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序例程，詳細(xì)的介紹了該例程的各個(gè)功能模塊。該例程性能穩(wěn)定，傳輸可靠，已應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果表明：數(shù)據(jù)的傳輸過程達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)介紹對(duì)USB專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有良好的參考應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：USB2．0協(xié)議；數(shù)據(jù)采集；WDM驅(qū)動(dòng)程序

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，均越來越多的應(yīng)用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。USB總線標(biāo)準(zhǔn)的提出，解決了計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)I／O接口通用性差、不易擴(kuò)展、易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址和中斷資源的限制等缺點(diǎn)，使計(jì)算機(jī)在測(cè)控領(lǐng)域的重要性與日俱增，也使USB總線在數(shù)采測(cè)控業(yè)界備受關(guān)注，并在各種測(cè)控設(shè)備中迅速發(fā)展，但專用的USB設(shè)備不能像鼠標(biāo)、鍵盤等HID類設(shè)備一樣使用Windows系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序，而是需要開發(fā)專用的驅(qū)動(dòng)程序。開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序與開發(fā)Windows應(yīng)用程序完全不同，驅(qū)動(dòng)程序以系統(tǒng)的內(nèi)核模式運(yùn)行，任何細(xì)小的錯(cuò)誤都可能引起操作系統(tǒng)的崩潰。因此，專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的復(fù)雜性，成為了USB總線在該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。隨著軍事裝備自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度越來越高，一種更為簡(jiǎn)便的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)方法的探討十分有益。基于軍用電站檢測(cè)儀中USB數(shù)據(jù)采集模塊的開發(fā)，介紹了USB專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的一般過程。

1 WDM驅(qū)動(dòng)程序概述
    WDM(windows driver mode)是微軟推出的一種驅(qū)動(dòng)程序模型，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。它采用分層驅(qū)動(dòng)的方式，即在應(yīng)用程序和物理設(shè)備之間存在著幾個(gè)不同層次的驅(qū)動(dòng)程序，且各層驅(qū)動(dòng)程序有不同的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)一層，不同層上的驅(qū)動(dòng)程序可以相互調(diào)用。USB系統(tǒng)的組成如圖1所示：應(yīng)用程序通過API函數(shù)調(diào)用Win32系統(tǒng)子函數(shù)，驅(qū)動(dòng)程序分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD)和主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)三層，它們均運(yùn)行在系統(tǒng)的內(nèi)核模式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用IRP(I／ORequest Packet)通過總線驅(qū)動(dòng)程序提供的軟件接口(USBDI，USB Driver Interface)向總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出I／O請(qǐng)求，并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向提供一個(gè)或空或滿的內(nèi)存緩沖區(qū)；USBD負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的總線傳輸，也有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與其他軟件接口的功能單元進(jìn)行通信，沒有直接調(diào)用USBD，但總有一個(gè)更低層的驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)生USBD調(diào)用。主控制器驅(qū)動(dòng)程序處在USB系統(tǒng)軟件的最底層，直接與主控制器的硬件通信，它提供了只有總線驅(qū)動(dòng)程序才能訪問的主控制器驅(qū)動(dòng)程序軟件接口HCDI(Host Control Driver Interface)。其中，總線驅(qū)動(dòng)程序和主控制器驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是針對(duì)某一USB設(shè)備的專用驅(qū)動(dòng)程序。

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
    Windows為USB設(shè)備提供了底層驅(qū)動(dòng)程序，與底層驅(qū)動(dòng)程序接口的是I／O請(qǐng)求包(IRP)，Windows為應(yīng)用程序提供的接口則是API函數(shù)。因此必須在它們之間建立一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，在底層驅(qū)動(dòng)與Win32應(yīng)用程序之間傳遞消息，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。VC++、VB等軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持下，都可以調(diào)用ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()等API函數(shù)向設(shè)備傳遞主機(jī)請(qǐng)求。Windows系統(tǒng)自動(dòng)將API調(diào)用轉(zhuǎn)化為IRP，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把它向下層驅(qū)動(dòng)傳遞。直到完成其所指定的功能再沿驅(qū)動(dòng)程序棧返回主機(jī)。
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
    開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般采用以下幾種方法：1)直接使用Windows DDK，這種方法開發(fā)難度較大，設(shè)計(jì)者必須對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)有很好的理解和把握。2)使用Driver Studio，該工具軟件可為設(shè)計(jì)者提供驅(qū)動(dòng)程序的整體框架，設(shè)計(jì)者只需要專心于功能代碼設(shè)計(jì)。3)使用win Driver，這種方法開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序很容易，但工作效率不是很高。這里采用第二種方法。
    Driver Studio生成驅(qū)動(dòng)程序框架主要由兩個(gè)類組成，一個(gè)是Driver類，另一個(gè)是Device類Driver類。
    1)Driver類用于初始化驅(qū)動(dòng)程序，它包括：入口函數(shù)Driver Entry和Add Device函數(shù)。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被加載時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)用Driver Entry函數(shù)；當(dāng)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象并把它連接到設(shè)備堆棧時(shí)調(diào)用Add Device函數(shù)。函數(shù)代碼如下：

    2)Device類是設(shè)備類KDvice的派生類，這個(gè)類包含了電源管理、設(shè)備讀寫、設(shè)備控制等具有特定功能的例程。限于篇幅只介紹批量讀寫端點(diǎn)函數(shù)。

    INF文件的編寫
    INF文件是一個(gè)文本文件，它含有安裝一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的所有必需的安裝信息。包括要復(fù)制的文件列表，要?jiǎng)?chuàng)建的注冊(cè)表項(xiàng)等。用以告訴系統(tǒng)安裝哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，INF文件由若干區(qū)段組成，下面列出幾個(gè)區(qū)段及其功用：
    1)Version區(qū)段是INF文件的開始，其Class和ClassGuid指出了驅(qū)動(dòng)程序所屬的設(shè)備類別及設(shè)備的GUID。GUID(Global Unique Identi-fier)用以標(biāo)識(shí)不同的驅(qū)動(dòng)程序，它是全局且唯一的，系統(tǒng)就是通過GUID把應(yīng)用程序的I／O請(qǐng)求傳達(dá)給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序的。
    2)Mantifacturer區(qū)段指明供應(yīng)商及其對(duì)應(yīng)Models字節(jié)的名稱。
    3)Install．AddReg／Install．Services指明注冊(cè)表添加內(nèi)容及安裝驅(qū)動(dòng)的詳細(xì)信息。
    該驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集模塊采集電站的電壓信號(hào)，部分采集數(shù)據(jù)如表1所示：

    測(cè)量誤差主要來源于模塊的A／D，與驅(qū)動(dòng)無關(guān)系，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果表明：數(shù)據(jù)可以在該驅(qū)動(dòng)下及時(shí)正確的傳輸，模塊工作正常。

3 結(jié)束語
    該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用于電站檢測(cè)儀中USB數(shù)據(jù)采集模塊的效果良好，用這種方法提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期，使開發(fā)者可將主要精力集中于實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能上，為非軟件專業(yè)開發(fā)者開發(fā)基于USB總線的檢測(cè)儀驅(qū)動(dòng)提供了很好的借鑒。也為USB總線在測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用開創(chuàng)了光明的前景。相信以計(jì)算機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心，以USB總線為數(shù)據(jù)通信方法的測(cè)控儀器將成為測(cè)控業(yè)發(fā)展主流。