基于NI-VISA與LabVIEW的USB接口應用設計

USB(Universal Serial Bus)接口是近年來應用在PC領域的新型接口技術。它基于單一的總線接口技術來滿足多種應用領域的需求；它的即插即用、支持熱插拔、易于擴展等特性極大地方便了用戶的使用，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。
傳統(tǒng)的開發(fā)USB應用系統(tǒng)的步驟是，先用WindowsDDK(設備驅動程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如DriverStudio)開發(fā)USB驅動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(tài)連接庫)，最后再調(diào)有DLL來開發(fā)應用程序。顯然，這對Windows編程不熟悉的人來說有一定的難度，何況USB驅動程序的開發(fā)難度很大。本文介紹一種簡單、快速開發(fā)USB接口應用系統(tǒng)的方法。它直接在LabVIEW環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅動用戶USB系統(tǒng)的應用程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅動程序的復雜性，大大縮短了開發(fā)周期。

1 NI-VISA簡介
NI-VISA(Virtual Instrument Software Architec-ture，以下簡稱為“VISA”)是美國國家儀器NI(National Instrument)公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA總線I／O軟件是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試。VISA是虛擬儀器系統(tǒng)I／O接口軟件?；谧缘紫蛏辖Y構模型的VISA創(chuàng)造了一個統(tǒng)一形式的I／O控制函數(shù)集。一方面，對初學者或是簡單任務的設計者來說，VISA提供了簡單易用的控制函數(shù)集，在應用形式上相當簡單；另一方面，對復雜系統(tǒng)的組建者來說，VISA提供了非常強大的儀器控制功能與資源管理。

2 LabVIEW及其調(diào)用VISA的條件
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言。用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，而且程序編制簡單、直觀。一個LabVIEW程序分為3部分：前面板、框圖程序和圖標／接線端口。前面板用于模擬真實儀器的前面板；框圖程序是利用圖形語言對前面板上的控件對象(分為控制量和指示量兩種)進行控制；圖標／接線端口用于把LabVIEW程序定義成一一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程。
當進行USB通信時，VISA提供了兩類函數(shù)供Lab-VIEW調(diào)用，USB INSTR設備與USB RAW設備。USBINSTR設備是符合USBTMC協(xié)議的USB設備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，通信時無需配置NI-VISA；而USB RAW設備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設備，通信時要配置NI-VISA。
(1)配置NI-VISA的步驟
①使用Driver DevelopineInt Wizard(驅動程序開發(fā)向導)創(chuàng)建INF文檔；
②安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設備；
③使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設備進行測試，以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。
詳細過程可參考NI官方網(wǎng)站上免費提供的文檔《使用NI-VISA控制USB設備》。
(2)與NI-VISA相配合的LabVIEW橫板中VI子節(jié)點
ViOpen，打開并指定VISA resource name的設備的連接。
ViProperty，VISA設備的屬性子節(jié)點，可以設置端點或傳輸方式。
ViWnte，向VISA resource name指定的設備寫入數(shù)據(jù)。
ViRead，從VISA resource name指定的設備讀出數(shù)據(jù)。
ViClose，結束設備讀寫并關閉與指定設備的連接。
(3)USB RAW設備讀寫的操作次序
USB RAW設備的讀寫次序如圖l所示。

下面以一個USB接口的溫度采集系統(tǒng)為例，說明基于NI-VISA驅動的USB接口應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件結構
系統(tǒng)以Philips公司的增強型80C51單片機為核心，如圖2所示。這是一個多點溫度采集系統(tǒng)，核心器件是含有8 KB非易失Flash程序存儲器的P89C52，與標準80C51完全兼容。USB通信控制芯片采用Philips公司的PDIUSBD12芯片(簡稱“D12”)。它是一款較新型的專用USB通信控制芯片，符合通用串行總線USBl．1版規(guī)范，內(nèi)部集成有串行接口引擎SIE、320字節(jié)FIFO存儲器、收發(fā)器和電壓調(diào)節(jié)器。前端溫度傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的DSl8820。它是一線式數(shù)字溫度傳感器，直接以數(shù)字量輸出給微處理器，可節(jié)省大量的引線和信號調(diào)理電路。DSl8820內(nèi)部有一個光刻ROM。這個ROM中存有64位序列號。它可以看作足該DS18820的地址序列碼，所以多路溫度傳感器可以掛在l條總線上，共同占用單片機的1條I／O線即可實現(xiàn)接口。在提升單片機I／O線驅動能力的前提下，理論上可以任意擴充檢測的溫度點數(shù)。

D12與單片機的接口共有兩種方式：多路地址／數(shù)據(jù)總線方式和單地址／數(shù)據(jù)總線方式。這里選擇了單地址／數(shù)據(jù)總線方式，因此，D12的ALE接為低電平，而A0腳與P89C52X2的端口P3．3相連。該端口控制D12的命令和數(shù)據(jù)狀態(tài)：A0=1，表示數(shù)據(jù)總線上是命令；A0=0，表示數(shù)據(jù)總線上是數(shù)據(jù)。D12的數(shù)據(jù)總線直接與P0口相連，D12的中斷引腳INT_N與P89C52X2的INT0相連。當D12的外部巾斷有一位為1時，INT_N輸出低電平，觸發(fā)P89C52X2的外部中斷。因為系統(tǒng)未采用DMA，所以D12的DMAcK_N引腳接高電平，EOT_N引腳通過電阻接到USB的+5 V，以正確檢測到USB連接；INT_N引腳加一個上拉電阻。因為D12有片內(nèi)上電復位電路，故引腳RESET_N直接與電源引腳VCC相連。溫度傳感器DSl8820工作在外接電源工作方式，DQ引腳直接和P89C52X2的P1．0相連。
3.1 系統(tǒng)的工作原理
根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(host)開始的，單片機的前臺工作就是等待。主機PC首先要發(fā)送令牌包給USB，D12接收到令牌包就給單片機發(fā)中斷，單片機進入中斷服務程序。首先讀D12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作，因此，USB單片機程序主要就是中斷服務程序的編寫。在USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應，主要是對端口的編程。
3.2 軟件部分的設計
系統(tǒng)的固件程序從功能上分為兩部分，整個編程在Keil C環(huán)境下完成。
(1)溫度傳感器D818820的讀取程序
DSl8820單線通信功能是分時實現(xiàn)的。它有很嚴格的時序要求，對它的操作必須按協(xié)議進行，即初始化→發(fā)ROM操作命令→發(fā)存儲器操作命令→數(shù)據(jù)處理。
(2)MCU和USB接口的通信程序
本程序使用D12的端點l和端點2進行上位汁算機與MCU P89C52之間的命令和數(shù)據(jù)的傳輸。端點l和端點2設置成模式O(非同步方式)。其中端點1以中斷傳輸方式進行命令的傳輸和應答，端點2以批量傳輸方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。端點1接收上位機發(fā)送過來的讀指令，端點2返回讀成功數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)的固件程序編寫以分層結構展開。它是一種積木式結構，如圖3所示。

①硬件提取層：對單片機的I／O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口進行操作。
②PDIUSBD12命令接口：對D12器件進行操作的模塊子程序集。
③中斷服務程序：當D12向單片機發(fā)出中斷請求時，讀取D12中斷傳輸來的數(shù)據(jù)，并設定事件標志“EPP-FLAGS”和Settup包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)“CONROL_XFER”傳輸給主循環(huán)程序。
④標準設備請求處理程序：對USB的標準設備請求進行處理。
⑤廠商請求處理程序：對用戶添加的廠商請求進行處理。
⑥主程序：發(fā)出USB數(shù)據(jù)傳輸請求，處理總線事件和調(diào)用用戶自定義功能子程序。
以NI-VISA為驅動的主機LabVIEW應用程序的設計，NI-VISA采用3．2版本，LabVIEW采用7．1版本。
整個應用程序的主框架使用了WHILF循環(huán)來進行不斷的查詢。在程序的編寫過程中，采用了類似Windows程序中的事件驅動機制，LabVIEW提供了這樣的結構――事件結構。各個消息的產(chǎn)生利用了各種界面控件并由Case選擇結構給出。程序框圖如圖4所示。

為了便于說明USB操作次序，把圖4中事件結構展開，有圖5所示的具體USB操作次序。

在圖5中，USB RAW設備通信采用端點1以中斷傳輸方式接收上位機操作命令，協(xié)議可以自己約定。端點2以批量傳輸方式給上位機發(fā)回溫度數(shù)據(jù)。其中端點數(shù)“130”是對應十六進制數(shù)“0082”的十進制數(shù)，此數(shù)表示端點2批量輸入；而端點數(shù)“1”則是對應十六進制數(shù)“0001”的十進制數(shù)，此數(shù)表示端點1中斷輸出。
因為NI-VISA3．2版本不支持USB屬性“中斷輸出”(interrupt out)，因此為了實現(xiàn)USB端點1的中斷輸出問題，這里把USB屬性“批量輸出”(bulk out pipe)和“VI Write”節(jié)點組合在一起，來實現(xiàn)端點l中斷輸出。從NI-VISA3．3起，可以直接利用“中斷輸出”(interruptout)屬性來實現(xiàn)。

結語
經(jīng)實踐證明，采用基于NI-VISA驅動的USB接口應用系統(tǒng)的設計非常容易，開發(fā)難度低，對開發(fā)者的要求不高；開發(fā)出的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，即使對Windows編程不熟悉的人也可以開發(fā)出USB應用系統(tǒng)，它提供了另一種開發(fā)USB驅動應用程序的捷徑。