一種USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀快速設(shè)計(jì)模板

摘要：為了快速開發(fā)性價(jià)比高的基于USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀，采用了NI-VISA和CH372芯片的方案搭建一個(gè)通用的模板，并以一個(gè)溫度信號(hào)的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器的實(shí)例加以說明。實(shí)驗(yàn)表明該模板降低了USB通信的復(fù)雜度，縮短了開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：USB;數(shù)據(jù)采集;虛擬儀器;NI-VISA;CH372

引言

構(gòu)建USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器常有如下方案：

①采用NI公司的USB數(shù)據(jù)采集模塊。該方案的特點(diǎn)是方便使用，但成本相對(duì)高。②采用非NI公司的USB數(shù)據(jù)采集模塊。通過調(diào)用廠商提供的二次開發(fā)包里面的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。該方案比方案①成本低，但應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜。③采用數(shù)據(jù)采集器件+單片機(jī)+USB接口器件。

參考文獻(xiàn)通過涮用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)模塊來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)通過NI-VISA方案來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，比參考文獻(xiàn)采用的方法方便易用。綜合比較，方案③從成本和開發(fā)速度上都具有很高的性價(jià)比。

本文旨在方案③的基礎(chǔ)上，搭建一個(gè)通用的模板。開發(fā)者只要在該模板的基礎(chǔ)上就可以快速開發(fā)性價(jià)比高的基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文采用了NI-VISA和CH372 USB芯片的方案，并以一個(gè)溫度信號(hào)的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器的實(shí)例加以說明。

1 CH372及其外圍電路

CH372是南京沁恒生產(chǎn)的一款USB總線芯片，它提供8位數(shù)據(jù)線及讀、寫、片選、中斷線各一條，內(nèi)置USB通信底層協(xié)議，具有方便、簡(jiǎn)單的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。內(nèi)置固件模式下，芯片自動(dòng)處理端點(diǎn)0的所有事務(wù)，本地單片機(jī)只需要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)交換即可，程序簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單;外置固件模式下，由本地單片機(jī)負(fù)責(zé)處理各種USB請(qǐng)求，可以靈活地實(shí)現(xiàn)符合USB規(guī)范的設(shè)備。

圖1是CH372的外圍電路。D0～D7為芯片的數(shù)據(jù)I/O口，與STC89C52RC單片機(jī)的P0～P7相連;INT與單片機(jī)的P3.2相連;CS與單片機(jī)的P3.3相連;RD與單片機(jī)的P3.4相連;WR與單片機(jī)的P3.5相連;A0與單片機(jī)的P3.7相連。單片機(jī)采用的是11.059 2 MHz晶振。溫度傳感器采用DS18B20，它的數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的P2.2口。

2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

CH372芯片專門用于處理USB通信，在接收到數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH372以中斷方式通知單片機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)通過CH372芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

①當(dāng)CH372接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將INT引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷;

②單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài);

③CH372在GET_STATus命令完成后將INT引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求;

④由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行RD_USB_DATA命令從CH372讀取接收到的數(shù)據(jù);

⑤CH372在RD_USB_DATA命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB通信;

⑥單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序。

單片機(jī)通過CH372芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

①單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù);

②CH372被動(dòng)地等待USB主機(jī)在需要時(shí)取走數(shù)據(jù);

③當(dāng)USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH372首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將INT引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷;

④單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài);

⑤CH372在GET_STATUS命令完成后將INT引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求;

⑥由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，那么單片機(jī)不必執(zhí)行WR_USB_DATA命令;

⑦單片機(jī)執(zhí)行UNLOCK_USB命令;

⑧CH372在UNLOCK_USB命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB通信;

⑨單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序;

⑩如果單片機(jī)已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么轉(zhuǎn)到步驟②，否則結(jié)束。

在內(nèi)置固件模式的USB設(shè)備方式下，單片機(jī)只需要處理6種中斷狀態(tài)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化USB通信，在本文的模板中只讓CH372處理如表1所列的兩種中斷狀態(tài)。

根據(jù)表1所列的兩種中斷狀態(tài)相關(guān)的讀寫操作指令如表2所列。

本文對(duì)CH372的底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了高度的封裝，只提供一個(gè)接口給應(yīng)用層，接口函數(shù)如表3所列。

從通用的角度考慮，本文對(duì)應(yīng)用層的功能模塊劃分如下：

①USB設(shè)備初始化模塊。實(shí)現(xiàn)設(shè)置USB設(shè)備的廠商VID和產(chǎn)品PID，工作模式為內(nèi)置固件模式，具體代碼如下：

④中斷服務(wù)模塊。兩種中斷狀態(tài)分別是端點(diǎn)2的OUT事務(wù)和端點(diǎn)2的IN事務(wù)。IN事務(wù)中斷表示上位機(jī)已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的接收，下一步讓單片機(jī)做什么就是中斷服務(wù)的內(nèi)容。OUT事務(wù)中斷表示USB設(shè)備端已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的接收，下一步讓單片機(jī)端做什么就是中斷服務(wù)的內(nèi)容。中斷服務(wù)模塊的偽代碼如下：

本文給出的實(shí)例是當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過來的“開始溫度采集”信號(hào)后，開始不斷啟動(dòng)溫度的采集和往上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，直到收到上位機(jī)發(fā)送過來的“停止溫度采集”信號(hào)。本實(shí)例單片機(jī)端的主程序偽代碼如下：

在“中斷服務(wù)模塊”代碼中的端點(diǎn)2的OUT事務(wù)部分，讀取上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中獲取信息，刷新“開始溫度采集”的標(biāo)志，然后退出中斷。在單片機(jī)主程序里面可以根據(jù)對(duì)該標(biāo)志的判斷來決定開始采集溫度還是暫停采集溫度。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫采用的是NI-VISA圖形化的方法進(jìn)行設(shè)置，詳細(xì)步驟見參考文獻(xiàn)。驅(qū)動(dòng)編寫后，接下來就是采用LabVIEW 2012編寫上位機(jī)程序，上位機(jī)的運(yùn)行界面如圖2所示。

其關(guān)鍵程序代碼如下：

①打開USB資源。該部分代碼如圖3所示。其中關(guān)鍵函數(shù)是圖3中所示的“VISA打開”函數(shù)。

②點(diǎn)擊運(yùn)行界面上的“開始采集溫度”按鈕。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)往CH372設(shè)備發(fā)送一個(gè)字符“1”。CH372設(shè)備接收后，觸發(fā)單片機(jī)中斷服務(wù)讀取該字符。讀取該字符后，刷新“開始采集溫度”的標(biāo)志。在單片機(jī)的主程序中，根據(jù)該標(biāo)志啟動(dòng)溫度采集和往上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。因此，上位機(jī)程序中必須含有往CH372設(shè)備寫發(fā)送數(shù)據(jù)的操作和讀來自CH372設(shè)備數(shù)據(jù)的操作，該部分代碼如圖4所示。其中的關(guān)鍵函數(shù)是圖4所示的“VISA寫入”函數(shù)和“VISA讀取”函數(shù)。

結(jié)語

該模板采用CH372芯片的內(nèi)置同件模式，屏蔽了USB通信的底層細(xì)節(jié)，大大降低了USB通信的復(fù)雜度。同時(shí)對(duì)CH372的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝，提供相應(yīng)接口給應(yīng)用層，開發(fā)者的設(shè)計(jì)只局限在應(yīng)用層，大大降低了開發(fā)時(shí)間和難度。采用NI-VISA的圖形化配置的方法快速開發(fā)了USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，采用LabVIEW里面提供的函數(shù)方便實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備打開和讀寫操作。因此，該模板能實(shí)現(xiàn)USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀的快速設(shè)計(jì)。