基于USB接口的實用型數(shù)據(jù)采集卡設計

Windows系統(tǒng)對構成一個USB總線主機的不同軟件部分進行了明確的劃分，如圖4所示，其中USB客戶軟件僅僅包含了用來控制不同的USB外設的設備驅(qū)動程序。USB客戶軟件會通過一個Windows所定義的一個軟件接口來同根集線器驅(qū)動程序進行通信。而USB根集線器驅(qū)動程序則要通過USBDI(通用串行總線驅(qū)動程序接口)來實現(xiàn)同USBD通用串行總線驅(qū)動程序)的通信。然后，USBD會選擇兩種主控制器驅(qū)動程序(UHCD和OpenHCI)之一來同其下方的主控制器進行通信。最后，在USB總線和主機控制器之間存在一個PCI總線枚舉器，它負責在檢測到系統(tǒng)中存在一個通用串行總線時，裝載適當?shù)腢SB總線系統(tǒng)軟件，主控制器驅(qū)動程序會通過PC工枚舉器軟件直接實現(xiàn)對USB物理層總線的訪問。HCD與USBD代表了基于對不同層次的抽象的軟件接口，它們能以某種方式共同工作，以滿足USB系統(tǒng)的整體要求。

3.2 固件程序開發(fā)

設備固件是設備運行的核心，它控制整個硬件系統(tǒng)的運行，并負責處理PC機發(fā)來的各種USB請求，以完成它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。其主要功能包括控制放大模塊、實現(xiàn)通道選擇;控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集;通過FX2實時上傳采集數(shù)據(jù)給PC;控制FX2芯片接收并處理USB設備驅(qū)動程序的請求(如設置USB接口狀態(tài)等多種USB協(xié)議標準請求)等。

Cypress公司提供的EZ-USB FX2軟件包為用戶開發(fā)基于EZ-USB FX2系列芯片的USB設備的編程提供了很大的方便。無論是開發(fā)基于外設的8051固件程序，還是開發(fā)基于USB主機的設備驅(qū)動程序或應用程序，該軟件包都提供了較完備的程序框架和例程庫。

EZ-USB FX2固件庫為用戶開發(fā)EZ-USB FX2固件提供了底層Keil C函數(shù)庫。EZ-USB FX2軟件開發(fā)包提供了該庫的目標文件，同時還提供了該函數(shù)庫的源代碼，用戶可以利用Keil來重新編寫該函數(shù)庫。

EZ-USB FX2固件是使用EZ-USB FX2程序框架或直接使用EZ-USB FX2固件庫開發(fā)的程序，這是開發(fā)USB外設的重要部分。

FX2在其固件程序中把自己定義為USB大存儲類、塊傳輸子類，操作系統(tǒng)(Win98以上)有相應的USB類設備驅(qū)動程序來支持這種USB類外設，而不需要另外在操作系統(tǒng)內(nèi)安裝其驅(qū)動程序。在FX2的固件程序中寫入USB通信模塊，就可以實現(xiàn)主機和USB設備的通信。

固件程序必須包括DSCR.A51(A51宏匯編器), USBJmpTb.OBJ(目標文件轉(zhuǎn)換器)和Ezusb.lib ( Ezusb C編譯器庫文件和啟動代碼)。

固件程序有兩個C文件，一個是FW.C，即框架程序，定義了基本的USB設備的功能，一般不許修改。另一個是FUNCTION.C(FUNCTION為自己命名)，本設計要實現(xiàn)的具體功能在此文件中完成。

3.3 應用層程序

應用層程序用Visual C++6.0來開發(fā)，它可以直接調(diào)用底層的設備驅(qū)動程序。利用VC開發(fā)的應用軟件具有高效、美觀、操作方便等優(yōu)點。

圖5 軟件流程圖

如圖5所示，本系統(tǒng)需要通過軟件下載固件程序，對ADC、放大模塊、采集模塊進行控制，同時還要接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。在采集開始前，可以先將命令發(fā)送出去，實現(xiàn)在固件程序中定義的相應功能，如通過FX2口線控制前置放大模塊等。然后可以讀取傳送到主機的數(shù)據(jù)，或者向設備發(fā)送數(shù)據(jù)等。

本文作者創(chuàng)新點: 本文設計的USB2.0為接口的數(shù)據(jù)采集卡，采樣及數(shù)據(jù)傳輸速度都達到了24Mb/s，達到國內(nèi)先進水平。同時該系統(tǒng)具有簡單實用，硬件成本低，構造簡單，復用性良好，功能強大的特點，也是該系統(tǒng)的優(yōu)勢之處。