導(dǎo)語：USB接口數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：以自行開發(fā)的基于usb接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，介紹了USB接口的硬件和軟件開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：USB數(shù)據(jù)采集PDIUSBD12

1USB協(xié)議和芯片選擇

理解好USB協(xié)議是USB系統(tǒng)開發(fā)的第一步。USB協(xié)議版本包括1.0、1.1和2.0，USBOTG是對2.0版本協(xié)議的補(bǔ)充。雖然USB協(xié)議內(nèi)容繁多且復(fù)雜，然而，對USB開發(fā)影響較大的卻只是少數(shù)部分，以下對協(xié)議版本1.1[1]中這些部分進(jìn)行介紹。

1.1USB協(xié)議

一般，每個(gè)USB設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)配置（Configuration）控制其行為。使用多配置原因是對操作系統(tǒng)的支持；一個(gè)配置由接口（Interface）組成；接口則是由管道（Pipe）組成；管道與USB設(shè)備的端點(diǎn)（Endpoint）對應(yīng)，一個(gè)端點(diǎn)可以配置為輸入輸出兩個(gè)管道。在固件編程中，USB設(shè)備、配置、接口和管道都用描述符報(bào)告其屬性。

圖1為USB多層次通信模型。端點(diǎn)0默認(rèn)配置為控制管道，用來完成所規(guī)定的設(shè)備請求(USB協(xié)議第九章)。其它端點(diǎn)可配置為數(shù)據(jù)管道。對開發(fā)而言，主要的大數(shù)據(jù)傳輸都是通過數(shù)據(jù)管道完成的[2]。

USB傳輸類型包括批量傳輸、等時(shí)傳輸、中斷傳輸和控制傳輸，每種傳輸類型的傳輸速度、可靠性以及應(yīng)用范圍都不同[3]?？刂苽鬏斂煽啃允亲罡叩?，但速度最慢；等時(shí)傳輸速度快，滿足實(shí)時(shí)性，但可靠性低。在具體應(yīng)用中，端點(diǎn)傳輸類型可根據(jù)傳輸速度和可靠性選擇。

在USB通信協(xié)議中，主機(jī)取得絕對主動權(quán)利，設(shè)備只能是“聽命令行事”，通過一定的命令格式（設(shè)備請求）完成通信。USB設(shè)備請求包括標(biāo)準(zhǔn)請求、廠商請求和設(shè)備類請求。設(shè)備的枚舉是標(biāo)準(zhǔn)請求命令完成的；廠商請求是用戶定義的請求；設(shè)備類請求是特定的USB設(shè)備類發(fā)出的請求，例如海量儲存類、打印機(jī)類和HID（人機(jī)接口）類。固件編程中設(shè)備請求必須遵循一定的格式，包括請求類型、設(shè)備請求、值、索引和長度。

1．2USB接口芯片選擇

USB接口芯片的類型有：

（1）按傳輸速度的高低：低速（1．5Mbps）和全速(12Mbps)可選USB1．1接口芯片，例如Philips公司的PDIUSBD12和Cypress公司的EZ－USB2100系列；高速（480Mbps）可選USB2．0接口芯片，例如Philips公司的ISP1581和Cypress公司的CY7C68013。

（2）是否帶MCU（微控制器）：一般Philips公司的都不帶MCU，Cypress公司大多都帶，例如AN2131。

（3）是否帶主控器功能：不需要主機(jī)參與，主從設(shè)備間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，芯片有Philips公司的ISP1301和Cypress公司的SL811HS等。

還有專門用途USB芯片，例如閃存專用芯片IC1114。工程中用戶可根據(jù)自己的需求選擇一款性價(jià)比高的芯片。另外可用開發(fā)資源也是要考慮的重要方面，例如開發(fā)板和芯片廠商提供的網(wǎng)上資源，可大大降低開發(fā)的難度。

2基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)16路溫度數(shù)據(jù)自動采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。主要包括8個(gè)組成部分：中央處理器選用AT89C52芯片，完成各部分控制功能和USB傳輸協(xié)議；實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄當(dāng)前測量溫度的時(shí)間；溫度傳感器和接口電路主要完成溫度采集，并讀入MCU處理；復(fù)位電路完成對MCU的上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)視；看門狗電路用來監(jiān)視MCU是否工作；存儲電路主要存儲采集到的溫度數(shù)據(jù)以及采集的實(shí)時(shí)時(shí)間；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機(jī)間的通信電路采用USB接口。

2.2接口芯片選擇

接口電路采用Philips公司的PDIUSBD12[4]（以下簡稱為D12）芯片。主要因?yàn)镈12芯片信息、開發(fā)資源豐富，具有較高的性價(jià)比。

D12芯片的主要特點(diǎn)包括：

·符合USB1．1版本規(guī)范；

·可與任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(2MB／s)；

·采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通信時(shí)使LED閃爍；

·主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；

·在批量和等時(shí)模式下均可實(shí)現(xiàn)1MB／s的數(shù)據(jù)傳輸率；

·完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作。

2．3接口硬件設(shè)計(jì)

由D12接口組成的通信電路原理如圖3所示。關(guān)于D12的各引腳說明見參考文獻(xiàn)[4]。多路地址／數(shù)據(jù)總線ALE接單片機(jī)的ALE腳，這樣使用MOVX指令可以與D12接口，對D12操作就象對RAM操作一樣，此時(shí)忽略A0（命令口和數(shù)據(jù)口地址線）的輸入。因?yàn)闆]有使用DMA傳輸方式，所以沒有用到DMACK＿N、EOT＿N和DMREQ＿NDMA引腳。INT＿N是USB中斷請求腳，發(fā)出USB中斷請求；GL＿N是GoodLink指示燈，在調(diào)試過程中非常有用，在通信時(shí)會不停閃爍。如果一直亮或者一直暗，表示USB接口有問題，如果D12掛起，則LED關(guān)閉。CLKOUT是D12的時(shí)鐘輸出，可以通過固件編程改變其頻率，在調(diào)試固件時(shí)，可作為參考。

2．4接口程序設(shè)計(jì)

USB接口程序設(shè)計(jì)是USB開發(fā)的核心。USB接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：單片機(jī)程序開發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。三者互相配合，才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

2．4．1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序（又稱固件）采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要模塊包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、可讀性好、升級簡單。

通信模塊固件結(jié)構(gòu)如圖4所示。主循環(huán)和中斷服務(wù)程序之間的數(shù)據(jù)交換可通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖實(shí)現(xiàn)。圖3中USB中斷引腳INT＿N發(fā)出中斷請求，中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷請求類型操作，設(shè)置事件和填充數(shù)據(jù)緩沖區(qū)再傳輸給主循環(huán)；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求程序是對標(biāo)準(zhǔn)請求進(jìn)行處理；用戶可以根據(jù)實(shí)際需要編寫廠商請求，例如發(fā)出啟動或停止數(shù)據(jù)采集命令。

圖3USB接口連接示意圖

2．4．2驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動開發(fā)工具有DDK和第三方開發(fā)工具。其中DDK開發(fā)難度最大，第三方開發(fā)工具有DriverStudio和Windriver等。DriverStudio難度適中，而Windriver則屬于應(yīng)用層驅(qū)動開發(fā)，難度小，但效率低，并存在問題。

DDK驅(qū)動程序開發(fā)工作包括：開發(fā)環(huán)境設(shè)置（VC編譯環(huán)境）[5]、驅(qū)動程序設(shè)計(jì)[6]、安裝文件（INF文件）設(shè)計(jì)。

驅(qū)動程序設(shè)計(jì)采用WDM（WindowsDriveMode）。WDM設(shè)備驅(qū)動程序提供了一個(gè)參考框架，大大降低了由DDK書寫驅(qū)動程序帶來的難度。

D12驅(qū)動使用的例程包括：DriverEntry、AddDevice、DispatchPnp、DispatchRead、DispatchWrite和DispatchDeviceControl例程，以下是D12的WDM驅(qū)動程序函數(shù)：

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿CREATE]＝D12＿Create;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿CLOSE]＝D12＿Close;

DriverObject－＞DriverUnload＝D12＿Unload;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿DEVICE＿CONTROL;

＝D12＿ProcessIOCTL;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿WRITE]＝D12＿Write;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿READ]＝D12＿Read;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿SYSTEM＿CONTROL;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿PNP]＝D12＿Dispatch;

DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿POWER]＝D12＿Process－PowerIrp;

DriverObject－＞DriverExtension－＞AddDevice＝D12＿PnPAddDevice;

驅(qū)動程序與應(yīng)用程序和硬件之間通信都是IRP（I／O請求包）完成的。IRP＿M(jìn)J＿PNP主要是實(shí)現(xiàn)USB即插即用，例如設(shè)備的添加、刪除和資源的分配；IRP＿M(jìn)J＿POWER實(shí)現(xiàn)電源管理，例如設(shè)備的掛起和喚醒；IRP＿M(jìn)J＿CREATE(創(chuàng)建)、IRP＿M(jìn)J＿CLOSE(關(guān)閉)、IRP＿M(jìn)J＿

DEVICE＿CONTROL（設(shè)備控制）、IRP＿M(jìn)J＿WRITE（讀）和IRP＿M(jìn)J＿READ?穴寫?雪是主要完成數(shù)據(jù)通信的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)管道的創(chuàng)建、關(guān)閉和數(shù)據(jù)讀寫。其中設(shè)備控制具有輸入輸出緩沖區(qū)，可實(shí)現(xiàn)讀和寫功能；AddDevice和DriverUnload實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理，在設(shè)備添加和卸載時(shí)，創(chuàng)建和刪除設(shè)備，以及管理資源分配。

驅(qū)動程序通過安裝文件（．inf文件）中PID(產(chǎn)品識別號)和VID（廠商識別號）識別USB設(shè)備。

2．4．3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

主機(jī)應(yīng)用程序的編寫使用VC編譯環(huán)境中的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用程序的編程方法與串口編程類似。首先必須查找設(shè)備，打開設(shè)備的句柄；然后進(jìn)行讀寫和控制操作；最后是關(guān)閉設(shè)備句柄。為了提高效率，可使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)讀寫。

應(yīng)用程序通過GUID(注冊表驅(qū)動唯一識別號)查找驅(qū)動程序。

2．5調(diào)試

首先是固件調(diào)試，可用仿真機(jī)完成，驅(qū)動開發(fā)工具Windriver也是很好的固件調(diào)試工具，例如測試標(biāo)準(zhǔn)請求、廠商請求和管道讀寫。其次是驅(qū)動調(diào)試，這是USB接口開發(fā)最困難的部分，調(diào)試工具可用DriverStudio中Softice工具和文獻(xiàn)[6]中DebugPrint跟蹤工具，監(jiān)視工具BusHound可監(jiān)視USB的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸情況。需要注意的是，驅(qū)動調(diào)試必須在應(yīng)用程序正確調(diào)用的前提下。

2．6USB傳輸速度

主機(jī)每過1ms發(fā)出一個(gè)SOF（起始幀），四種USB傳輸類型都分布在1ms的幀內(nèi)。所以為了提高傳輸速度，可加大端點(diǎn)緩沖區(qū)的大小和使用雙緩沖（有些芯片還有四緩沖），在1ms內(nèi)盡量多傳輸數(shù)據(jù)；采用DMA傳輸方式，USB設(shè)備不通過微控制器直接完成數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然相應(yīng)硬件和軟件開發(fā)的難度增加；如果單片機(jī)數(shù)據(jù)加載速度較慢，則可考慮使用高速指令的單片機(jī)；如果速度要求在1MB／s以上，則考慮采用USB2．0接口芯片。

本文以USB接口程序在16路溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，介紹了USB的接口標(biāo)準(zhǔn)和程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，穩(wěn)定可靠，目前已廣泛應(yīng)用于航空電子設(shè)備的測溫系統(tǒng)。