基于USB总线的高速数据采集系统
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关键词：ＵＳＢ；数据采集；ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２；ＧＰＩＦ
１ 引言
现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在ＰＣ或工控机内安装数据采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但这些数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。
传统的外设与主机的通讯接口一般是基于ＰＣＩ总线、ＩＳＡ总线或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行总线。ＰＣＩ总线虽然具有较高的传输速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为５～６个），ＩＳＡ总线显然存在同样的问题。ＲＳ－２３２Ｃ串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主机的串口数目也有限。
通用串行总线（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，简称ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微软、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于ＵＳＢ的数据采集系统充分利用ＵＳＢ总线的上述优点，有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。ＵＳＢ的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，从而给使用带来极大方便。
２ 系统介绍
２．１ 数据采集系统的结构与功能
常见的数据采集系统的硬件总体结构如图１所示。其中数据采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ转换器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。
在高速数据采集系统中?由于现场输入信号是高频模拟信号，因而信号的变化范围都比较大?如果采用单一的增益放大?那么放大以后的信号幅值有可能超过Ａ／Ｄ转换的量程?所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中?希望能够在程序中用软件控制放大器的增益?ＡＤ８３２１正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美国ＡＤ公司生产的一种增益可编程线性驱动器。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点，十分适合在数据采集系统中做前置放大。
经过调理后的信号可送入模／数变换器（ＡＤＣ）进行Ａ／Ｄ变换。笔者选用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一种高速８位模拟数字转换器，能以高达每秒４０Ｍ的采样速率进行转换，由于采用半闪速结构和ＣＭＯＳ工艺制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模拟输入带宽使该器件成为欠采样应用的良好选择。该器件带有内部电阻，可用于从５Ｖ电源产生２Ｖ满度的基准电压，以减少外部元件数。数字输出置于高阻方式。它仅需要５Ｖ电源工作，可由ＵＳＢ总线供电。
由于数据采集接口卡是硬件部分的核心，因此应选择能适用ＵＳＢ协议的合适芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２是一种ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的内部集成了ＵＳＢ２．０收发器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增强的８０５１微控制器和一个可编程的串行接口。其主要特性如下：
●带有加强的８０５１内核性能，可达到标准８０５１的５～１０倍，且与标准８０５１的指令完全兼容；
●集成度高，芯片内部集成有微处理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多个功能模块，从而减少了多个芯片接口部分需要时序配合的麻烦；
●采用软配置，在外设未通过ＵＳＢ接口接到ＰＣ机之前，外设上的固件存储在ＰＣ上；而一旦外设连接到ＰＣ机上，ＰＣ则先询问外设是“谁”（即读设备描述符），然后将该外设的固件下载到芯片的ＲＡＭ中，这个过程叫做再枚举。这样，在开发过程中，当固件需要修改时，可以先在ＰＣ机上修改好，然后再下载到芯片中；
●具有易用的软件开发工具，该芯片开发系统的驱动程序和固件的开发和调试相互独立，可加快开发的速度。
图2 USB接口示意图
２．２ 方案选择
ＦＸ２有三种可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和从ＦＩＦＯ。
在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引脚都可作为８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。
在“从ＦＩＦＯ”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与ＦＸ２端点ＦＩＦＯ相连。在这种模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因为外部逻辑可直接控制ＦＩＦＯ。这种模式下，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为ＦＸ２接口提供自己的独立时钟。
“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ构成通向四个ＦＸ２端点ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位数据接口。ＧＰＩＦ作为内部的主控制器与ＦＩＦＯ直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。同时，ＧＰＩＦ还可以通过ＲＤＹ引脚采样外部信号并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的运行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其时序信号具有很好的编程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。故此，笔者选择了ＧＰＩＦ模式。
高速数据采集卡的设计存在两大难点：一是模拟信号的Ａ／Ｄ高速转换；二是变换后数据的高速存储及提取。对于第一个问题，由于制造ＡＤＣ的技术不断进步，这个问题已经得到解决。而对于第二个问题，一般的数据采集系统是将Ａ／Ｄ转换后的数据先存储在外部数据存储器中，然后再对其进行处理。对于高速数据采集而言，这种方式将严重影响采集速度，且存储值也会受到很大限制。而改进方案是将Ａ／Ｄ转换后的数据直接送至计算机内存，这样，采集速度将大大提高，而且可存储大量数据，以便于下一步的处理。
为了解决同步问题，可以由ＣＰＬＤ产生同步时钟信号提供给ＡＤＣ和ＦＸ２。在本数据采集系统的设计中，ＣＰＬＤ同时还可用于产生不同的控制信号，以便对采样进行实时控制。ＣＰＬＤ是复杂可编程逻辑器件，它包括可编程逻辑宏单元、可编程Ｉ／Ｏ单元和可编程内部连线。由于ＣＰＬＤ的内部资源丰富，因而可广泛应用在数据采集、自动控制、通讯等各个领域。在本系统的设计中，笔者选用的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ１０１６。图２所示是其整个ＵＳＢ接口卡的硬件电路图。
３ 系统软件设计
该系统软件主要包括ＵＳＢ设备驱动程序、设备固件和应用程序。
３．１ 设备固件（Ｆｉｒｍｗａｒｅ）设计
设备固件是设备运行的核心，可采用汇编语言或Ｃ语言设计。其主要功能是控制ＣＹ７Ｃ６８０１３接收并处理ＵＳＢ驱动程序的请求（如请求设备描述符、请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等ＵＳＢ２．０标准请求）、控制芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３接收应用程序的控制指令、控制Ａ／Ｄ模块的数据采集、通过ＣＹ７Ｃ６８０１３缓存数据并实时上传至ＰＣ等。
即使外部逻辑或内置的普通可编程接口(ＧＰＩＦ)在没有ＣＰＵ的任何干涉下能够通过四个大的端点ＦＩＦＯ来处理高速宽带数据，固件还是有如下固定的工作：
●配置端点；
●通过控制端点零来响应主机请求；
●控制和监测ＧＰＩＦ的活动；
●利用ＵＳＡＲＴ处理所有的特殊请求任务，如计时器、中断、Ｉ／Ｏ引脚等。
３．２ ＵＳＢ设备驱动程序开发
ＵＳＢ系统驱动程序采用分层结构模型?分别为较高级的ＵＳＢ设备驱动程序和较低级的ＵＳＢ函数层。其中ＵＳＢ函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线驱动程序模块（ＵＳＢＤ）和较低级的主控制器驱动程序模块（ＨＣＤ）。
在上述ＵＳＢ分层模块中，ＵＳＢ函数层（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ提供，负责管理ＵＳＢ设备驱动程序和ＵＳＢ控制器之间的通信；加载及卸载ＵＳＢ驱动程序；与ＵＳＢ设备通用端点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）建立通信并执行设备配置、数据与ＵＳＢ协议框架和打包格式的双向转换任务。目前?Ｗｉｎｄｏｗｓ提供有多种ＵＳＢ设备驱动程序，但并不针对实时数据采集设备，因此需采用ＤＤＫ开发工具来设计专用的ＵＳＢ设备驱动程序。该设备驱动程序应由初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及Ｉ／Ｏ功能等四个模块来实现。
初始化模块可提供一个ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口点以执行大量的初始化函数。
即插即用管理模块用来实现ＵＳＢ设备的热插拔及动态配置。当硬件检测到ＵＳＢ设备接入时，Ｗｉｎｄｏｗｓ查找相应的驱动程序，并调用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎ-ｔｒｙ例程，同时告诉它添加了一个设备；然后，驱动程序为ＵＳＢ设备建立一个ＦＤＯ（功能设备对象）。在此处理过程中，驱动程序收到一个ＩＲＰ ＭＮ ＳＴＡＲＴ ＤＥ-ＶＩＣＥ 的ＩＲＰ，在它之中包括有设备的资源信息。至此，设备被正确配置，驱动程序开始与硬件进行对话。当然，在设备运行过程中，如果设备状态发生变化（拔除、暂停等），ＰｎＰ管理器也同样发出相应的ＩＲＰ，以便由驱动程序进行相应的处理。
电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。
Ｉ／Ｏ功能实现模块可完成Ｉ／Ｏ请求的大部分工作。当应用程序提出Ｉ／Ｏ请求时，它将调用Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ函数ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ向设备发出命令，然后由Ｉ／Ｏ管理器构造一个ＩＲＰ并设置其ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ．域为ＩＲＰ ＭＪ ＤＥＶＩＣＥ ＣＯＮＴＲＯＬ。在ＵＳＢ设备驱动程序收到该ＩＲＰ后?它将取出其中的控制码?并利用一个开关语句查找对应的程序入口。
３．３ 应用程序设计
应用程序设计由两个部分组成：动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内核态的ＵＳＢ功能驱动程序通信并接收应用程序的各种操作请求，而应用程序则负责对所采集的数据进行实时显示、分析和存盘。
动态链接库的工作原理如下：当它收到应用程序开始采样的请求后，首先创建两个线程：采样线程和显示存盘线程。采样线程负责将采样数据写到应用程序提交的内存；而显示存盘线程则负责给应用程序发送显示和存盘消息。当应用程序接收到此消息后，便从它提交的内存中读取数据并显示和存盘。要注意的是：采样线程和显示存盘线程在读写应用程序提交内存时要保持同步。
ＰＣ机或工控机应用程序是数据实时采集系统的中心?可采用Ｌａｂｖｉｅｗ编程。它是当今国际上唯一的编译型图形化编程语言，其特点如下：
（１） 能完成对固体表面速度的实时测量；
（２）主介面与多重窗口结合?可完成数据连续采集、实时统计分析、系统参数设置、信号波形显示、被测参数输出等综合系统功能。
（３）能充分利用Ｌａｂｖｉｅｗ开发平台和ＷＩＮＤＯＷＳ视窗所提供的良好操作环境?集曲线、图形、数据于一体?可准确描述过程参数的变化。
图３所示是用高速数据采集系统采集通过Ｌａｂ-ｖｉｅｗ显示的一个波形实例，其输入信号是一个频率为５ＭＨｚ的正弦波。
４ 结束语
随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也越来越重要，本系统是一种通用的高速数据采集系统，可用于生物电波、电子学频谱、声波分析等瞬态信号的实时采集和观察等场合。其中基于ＵＳＢ总线的高速数据采集系统具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点，因而具有良好的应用前景和很大的实用价值。
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