摘要：本文介紹了基于usb總線的數(shù)據(jù)采集設備的開發(fā)方法，包括硬件設計、firmware(固件)設計、基于windows驅(qū)動程序模型(wdm)的設備驅(qū)動程序設計以及應用軟件的設計,同時也介紹了基于usb的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　關鍵詞：通用串行總線；數(shù)據(jù)采集；單片機

　　在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究過程的各行業(yè)中，常常要對各種數(shù)據(jù)進行采集，現(xiàn)在常用的采集方式是在pc機或工控機內(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，易受機箱內(nèi)環(huán)境的影響，而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。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單片機設計了基于usb總線的數(shù)據(jù)采集設備，并可與max485結(jié)合起來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集。

系統(tǒng)硬件設計
　　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等組成。

　　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存儲器、時鐘發(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。

　　多路模擬輸入信號經(jīng)多路模擬開關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)，存儲在fifo存儲器中；一旦fifo存滿，sie立刻對數(shù)據(jù)進行處理,然后89c51系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從fifo存儲器中讀出，由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線(d+、d-)送至主機。 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的時鐘輸出為89c51提供時鐘輸入。usbn9602的復位端接rc電路以保證復位電路可靠地工作。由于晶振頻率較高，結(jié)合usbn9602內(nèi)部網(wǎng)絡，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。

系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件包括設備固件、 usb設備驅(qū)動程序和應用程序。

設備固件(firmware)設計

　　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)動程序的請求及應用程序的控制指令。現(xiàn)主要介紹89c51系統(tǒng)如何控制usb控制器(usbn9602)與主機的通信。

　　89c51系統(tǒng)對usb控制器的操作是嚴格按照usb協(xié)議1.1進行的，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對設備的各種控制操作，也就是用來實現(xiàn)位于主機上的usb總線驅(qū)動程序(usbd.sys)以及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO備的各種控制操作。塊傳輸主要用來完成主機和設備間的大批量數(shù)據(jù)傳輸以及對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測(若發(fā)生錯誤,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usb控制器從usb總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求后，通過中斷方式將此請求通知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的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)，對usb控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應的操作，以完成主機的傳輸請求。

usb設備驅(qū)動程序設計

　　usb系統(tǒng)驅(qū)動程序的設計是基于wdm(windows driver model 驅(qū)動程序模型)的。wdm采用分層驅(qū)動程序模型(見圖3所示)，分為較高級的usb設備驅(qū)動程序和較低級的usb函數(shù)層。其中usb函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(usbd)和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊(hcd)。

　　在上述usb分層模塊中，usb函數(shù)層由windows98提供，負責管理usb設備驅(qū)動程序和usb控制器之間的通信，加載及卸載usb驅(qū)動程序，與usb設備通用端點(endpoint)建立通信來執(zhí)行設備配置、數(shù)據(jù)與usb協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務。

　　目前windows98提供了多種 usb設備驅(qū)動程序，但并不針對數(shù)據(jù)采集設備，因此需用ddk開發(fā)工具設計專用的usb設備驅(qū)動程序。在本設計中由四個模塊實現(xiàn)：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及i/o功能實現(xiàn)模塊。

　　初始化模塊提供一個入口函數(shù)driverentry()，所有對各種irp(i/o request packet,irp請求包)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現(xiàn)usb設備的熱拔插及動態(tài)配置。當硬件檢測到usb設備接入時，windows98查找響應的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的driverentry例程，pnp(即插即用)管理器調(diào)用驅(qū)動程序的adddevice例程，告訴它添加了一個設備；在此處理過程中，驅(qū)動程序收到一個設備啟動請求(irp_mn_start_device)的irp。同理，當要拔除時，pnp管理器會發(fā)出一個設備刪除