0 引言

　　隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙測(cè)、遙感等領(lǐng)域。而在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上通常使用串口或并口來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多的資源，傳統(tǒng)的接口一般采用pci總線或rs-232串行總線。pci總線有較高的傳輸速率，可達(dá)132 mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴(kuò)充槽有限且插拔不方便；rs-232串行總線連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數(shù)據(jù)和傳送大量數(shù)據(jù)。usb(通用串行總線)集中了pci和rs-232串行總線的優(yōu)點(diǎn)，具有方便的即插即用和熱插拔特性以及較高的傳輸速率，因此，將usb技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集是非常合適的，可以達(dá)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速度處理。目前，usb已經(jīng)推出了其協(xié)議的2.0版本，速率高達(dá)480 mbit／s。

　　本文研發(fā)了一套基于usb接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件、設(shè)備固件(firmware)、usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及客戶應(yīng)用軟件。下面分別加以說(shuō)明。

　　1 usb接口芯片

　　本文介紹的usb數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了cypress公司ez-usb fx2系列的cy7c68013-128ac芯片，它同時(shí)集成了8051微控制器和usb2.0收發(fā)器，在提高集成度的同時(shí)也加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣�。在系統(tǒng)中，cy7c68013-128ac既是數(shù)據(jù)采集控制器又是usb控制器，ez-usb fx2系列有3種型號(hào)：cy7c68013-56pvc、cy7c68013-100ac、cy7c68013-128ac。該系列的芯片都是針對(duì)usb2.0的，并且與usb1.1兼容。其中，cy7c68013-128ac是128腳，tpqf封裝，功能非常完善，與另外兩種相比，主要是增加了16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線以及更多的io口，因此，cy7c68013-128ac的可擴(kuò)展性最好。圖1是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　2 usb的固件和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　2.1固件

　　固件是儲(chǔ)存在程序內(nèi)存中的代碼，它使得usb接口芯片與主機(jī)和外設(shè)中其他電路能夠通信。cypress公司給出了一個(gè)固件庫(kù)和固件框架(frame works)，均是用keil c51開(kāi)發(fā)的。固件庫(kù)提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏、函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化用戶對(duì)芯片的使用；固件框架實(shí)現(xiàn)了初始化芯片、處理usb標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求以及掛起狀態(tài)下的電源管理等功能。該框架不添加任何代碼，編碼后產(chǎn)生的.hex文件載入芯片就能與主機(jī)進(jìn)行基本的usb通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對(duì)于用戶而言，主要的工作就是選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞�，添加需要使用的端點(diǎn)(endpoint)，考慮到本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)一定數(shù)量數(shù)據(jù)的快速采集，并要迅速地將采集到的數(shù)據(jù)傳輸和進(jìn)行分析處理，并且對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求較高，我們采用了塊傳輸方式(bulk transfers)，在td-init()函數(shù)中添加初始化代碼，亦即選擇塊傳輸方式和選擇端點(diǎn)2、6分別為輸出、輸入端口，在td-poll()函數(shù)中添加功能代碼，以實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)功能，關(guān)鍵代碼分別如下：

　　2.2 usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要是使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別usb設(shè)備，建立起主機(jī)端與設(shè)備端之間的通信，它們之間的通信是通過(guò)windows提供的api函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，這些函數(shù)可以控制顯示器、處理信息、訪問(wèn)存儲(chǔ)器、讀寫(xiě)磁盤(pán)和其他設(shè)備。

　　
圖2是usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體結(jié)構(gòu)圖。

　　usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)包括如下5個(gè)主要部分：usb應(yīng)用程序接口、usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)、usb中斷服務(wù)程序、usb回調(diào)接口程序、usb標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。
2.2.1 usb應(yīng)用程序接口

　　usb應(yīng)用程序接口主要功能是對(duì)usb驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行軟硬件初始化、打開(kāi)端口、關(guān)閉端口、讀端口、寫(xiě)端口和端口控制操作。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器裝入系統(tǒng)設(shè)備表時(shí)，i／o系統(tǒng)就調(diào)用該應(yīng)用程序接口。

　　usb應(yīng)用程序接口的一個(gè)例程主要包含：

　　a)對(duì)usb端口安裝、初始化和硬件配置(usb_init())。初始化步驟為：將usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)器安裝到i／o系統(tǒng)設(shè)備表中，獲取usb控制器使用的中斷號(hào)，初始化usb驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與usb端口狀態(tài)寄存器，啟動(dòng)usb標(biāo)準(zhǔn)事件處理程序。

　　b)打開(kāi)usb端口(usb_open())。usb_open函數(shù)允許應(yīng)用程序打開(kāi)一個(gè)usb端口和選擇dma數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　c)關(guān)閉usb端口(usb_close())。usb_close函數(shù)允許應(yīng)用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉dma通道。

　　d)對(duì)usb端口進(jìn)行讀操作(usb_read())。usb_read函數(shù)允許應(yīng)用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數(shù)據(jù)。

　　e)對(duì)usb端口進(jìn)行寫(xiě)操作(usb_write())。usb_write函數(shù)與usb_read函數(shù)功能類似，允許應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)到輸入端口或控制端口。

　　f)對(duì)usb設(shè)備進(jìn)行i／o控制操作(usb_ioctl())。

　　2.2.2 usb中斷服務(wù)程序

　　usb控制器產(chǎn)生單一中斷，多個(gè)端口共享。每個(gè)端口產(chǎn)生ack、nack／error中斷；輸