基于USB總線和89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)方法，包括硬件設(shè)計(jì)、firmware(固件)設(shè)計(jì)、基于windows驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì),同時(shí)也介紹了基于USB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究過程的各行業(yè)中，常常要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，現(xiàn)在常用的采集方式是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡，如A/D卡及RS-422卡、RS-485卡。采集卡不僅安裝麻煩，易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。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89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并可與MAX485結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要由串行A/D轉(zhuǎn)換器、89C51芯片、USB接口芯片和多路模擬開關(guān)等組成。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一種專用芯片USBN9602。該芯片內(nèi)部集成微處理器接口、 FIFO存儲(chǔ)器、時(shí)鐘發(fā)生器、串行接口引擎(SIE)、收發(fā)器、電壓轉(zhuǎn)換器，支持DMA、微波接口。
多路模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路模擬開關(guān)控制將其中的一路接入串行A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)光電隔離后串行輸出到移位寄存器，移位寄存器將此結(jié)果轉(zhuǎn)為8位并行數(shù)據(jù)，89C51系統(tǒng)通過8位的并行接口傳送A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后89C51系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲(chǔ)器中讀出，由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線(D+、D-)送至主機(jī)。 USBN9602與89C51的具體接口電路如圖2所示。圖中USBN9602的CLKOUT與89C51的XTAL1相連，即USBN9602的時(shí)鐘輸出為89C51提供時(shí)鐘輸入。USBN9602的復(fù)位端接RC電路以保證復(fù)位電路可靠地工作。由于晶振頻率較高，結(jié)合USBN9602內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在XOUT端串接100mF電容及470mH電感，起穩(wěn)定內(nèi)部振蕩頻率的作用。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括設(shè)備固件、 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。
設(shè)備固件(firmware)設(shè)計(jì)
此處固件是指固化到89C51E2PROM中的程序，其主要功能是: (1)控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣。(2)控制芯片USBN9602接受并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求及應(yīng)用程序的控制指令。現(xiàn)主要介紹89C51系統(tǒng)如何控制USB控制器(USBN9602)與主機(jī)的通信。
89C51系統(tǒng)對(duì)USB控制器的操作是嚴(yán)格按照USB協(xié)議1.1進(jìn)行的，按照USB協(xié)議1.1的規(guī)定，USB傳輸方式分為4種：控制傳輸，塊傳輸，同步傳輸和中斷傳輸。在實(shí)際開發(fā)中使用了控制傳輸和塊傳輸?？刂苽鬏斨饕脕硗瓿芍鳈C(jī)對(duì)設(shè)備的各種控制操作，也就是用來實(shí)現(xiàn)位于主機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD.SYS)以及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作。塊傳輸主要用來完成主機(jī)和設(shè)備間的大批量數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(若發(fā)生錯(cuò)誤,它支持“重傳”功能)。
89C51系統(tǒng)控制USB控制器的工作過程可以簡單地概括為：當(dāng)USB控制器從USB總線檢測到主機(jī)啟動(dòng)的某一傳輸請(qǐng)求后，通過中斷方式將此請(qǐng)求通知89C51系統(tǒng)，89C51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(duì)USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的操作，以完成主機(jī)的傳輸請(qǐng)求。
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM(Windows driver model 驅(qū)動(dòng)程序模型)的。WDM采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型(見圖3所示)，分為較高級(jí)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級(jí)的通用串行總線模塊(USBD)和較低級(jí)的主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊(HCD)。
在上述USB分層模塊中，USB函數(shù)層由Windows98提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB控制器之間的通信，加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序，與USB設(shè)備通用端點(diǎn)(endpoint)建立通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。
目前Windows98提供了多種 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但并不針對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此需用DDK開發(fā)工具設(shè)計(jì)專用的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在本設(shè)計(jì)中由四個(gè)模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)模塊。

圖2 USBN9602與89C51接口電路

圖3 USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟侮P(guān)系

圖4 應(yīng)用程序主流程圖

初始化模塊提供一個(gè)入口函數(shù)DriverEntry()，所有對(duì)各種IRP(I/O Request Packet,IRP請(qǐng)求包)的處理例程都在此入口函數(shù)中做出定義。
即插即用管理模塊實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱拔插及動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測到USB設(shè)備接入時(shí)，Windows98查找響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的AddDevice例程，告訴它添加了一個(gè)設(shè)備；在此處理過程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)設(shè)備啟動(dòng)請(qǐng)求(IRP_MN_START_DEVICE)的IRP。同理，當(dāng)要拔除時(shí)，PnP管理器會(huì)發(fā)出一個(gè)設(shè)備刪除請(qǐng)求(IRP_MN_REMOVE_DEVICE)的IRP，由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理。通過對(duì)這些PnP請(qǐng)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(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。
I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I/O請(qǐng)求的大部分工作。若應(yīng)用程序想對(duì)設(shè)備進(jìn)行I/O操作，它便使用Windows API函數(shù),對(duì)WIN32子系統(tǒng)進(jìn)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管理器將此請(qǐng)求構(gòu)造成一個(gè)合適的I/O請(qǐng)求包(IRP)并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收到這個(gè)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(qǐng)求塊并把此URB(USB請(qǐng)求塊)放到一個(gè)新的IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)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)果通過IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)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。
應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
用戶態(tài)的應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心，其主要功能為：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序主流程圖如圖4所示。
由于USBN9602提供的FIFO不超過64字節(jié)，當(dāng)它存滿后，USBN9602自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包即時(shí)請(qǐng)求讀入數(shù)據(jù)，由SIE自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)A/D模塊后，便會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)線程：采樣線程和顯示存盤線程。采樣線程負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序提交的內(nèi)存；而顯示存盤線程負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送顯示和存盤消息。當(dāng)應(yīng)用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。此處需要注意的是采樣線程和顯示存盤線程在讀寫應(yīng)用程序提交的內(nèi)存時(shí)要保持同步。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場而言顯然太短了?，F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS-485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)主要為傳輸距離可達(dá)到1200米以上，并且可以掛接多個(gè)設(shè)備，但傳輸速度慢，且需要板卡支持，安裝麻煩。但將RS-485與USB結(jié)合起來就可以優(yōu)勢互補(bǔ)，產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是RS-485~USB轉(zhuǎn)換器，可以采用USBN9602+89C51+ MAX485實(shí)現(xiàn)這一功能，整個(gè)系統(tǒng)的基本思想是：將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS-485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳，上述RS-485~USB轉(zhuǎn)換器在主機(jī)端接收485的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至主機(jī)進(jìn)行處理，而主機(jī)向USB發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)通過RS—485~USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送，從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如圖5所示。
軟件方面的設(shè)計(jì)跟前所述類似。

圖5 采用USB和485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸
結(jié)語
基于USB外設(shè)的應(yīng)用目前在國內(nèi)外處于高速發(fā)展階段，利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制已得到成功應(yīng)用，特別是隨著USB協(xié)議2.0的推出，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480Mbps，如此高的傳輸速率必將使USB在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢更加體現(xiàn)出來，同時(shí)會(huì)使其在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。