一種USB接口的虛擬數據采集儀快速設計模板

摘要：為了快速開(kāi)發(fā)性?xún)r(jià)比高的基于USB接口的虛擬數據采集儀，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)溫度信號的虛擬數據采集儀器的實(shí)例加以說(shuō)明。實(shí)驗表明該模板降低了USB通信的復雜度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：USB;數據采集;虛擬儀器;NI-VISA;CH372

引言

構建USB接口的虛擬數據采集儀器常有如下方案：

①采用NI公司的USB數據采集模塊。該方案的特點(diǎn)是方便使用，但成本相對高。②采用非NI公司的USB數據采集模塊。通過(guò)調用廠(chǎng)商提供的二次開(kāi)發(fā)包里面的動(dòng)態(tài)鏈接庫，驅動(dòng)數據采集。該方案比方案①成本低，但應用相對復雜。③采用數據采集器件+單片機+USB接口器件。

參考文獻通過(guò)涮用動(dòng)態(tài)鏈接庫模塊來(lái)實(shí)現驅動(dòng)設計。參考文獻通過(guò)NI-VISA方案來(lái)實(shí)現驅動(dòng)設計，比參考文獻采用的方法方便易用。綜合比較，方案③從成本和開(kāi)發(fā)速度上都具有很高的性?xún)r(jià)比。

本文旨在方案③的基礎上，搭建一個(gè)通用的模板。開(kāi)發(fā)者只要在該模板的基礎上就可以快速開(kāi)發(fā)性?xún)r(jià)比高的基于USB接口的數據采集系統。本文采用了NI-VISA和CH372 USB芯片的方案，并以一個(gè)溫度信號的虛擬數據采集儀器的實(shí)例加以說(shuō)明。

1 CH372及其外圍電路

CH372是南京沁恒生產(chǎn)的一款USB總線(xiàn)芯片，它提供8位數據線(xiàn)及讀、寫(xiě)、片選、中斷線(xiàn)各一條，內置USB通信底層協(xié)議，具有方便、簡(jiǎn)單的內置固件模式和靈活的外置固件模式。內置固件模式下，芯片自動(dòng)處理端點(diǎn)0的所有事務(wù)，本地單片機只需要負責處理數據交換即可，程序簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單;外置固件模式下，由本地單片機負責處理各種USB請求，可以靈活地實(shí)現符合USB規范的設備。

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

2 單片機軟件設計

CH372芯片專(zhuān)門(mén)用于處理USB通信，在接收到數據或者發(fā)送完數據后，CH372以中斷方式通知單片機進(jìn)行處理。

單片機通過(guò)CH372芯片接收數據的處理步驟如下：

①當CH372接收到USB主機發(fā)來(lái)的數據后，首先鎖定當前USB緩沖區，防止被后續數據覆蓋，然后將INT引腳設置為低電平，向單片機請求中斷;

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

③CH372在GET_STATus命令完成后將INT引腳恢復為高電平，取消中斷請求;

④由于通過(guò)上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以單片機執行RD_USB_DATA命令從CH372讀取接收到的數據;

⑤CH372在RD_USB_DATA命令完成后釋放當前緩沖區，從而可以繼續USB通信;

⑥單片機退出中斷服務(wù)程序。

單片機通過(guò)CH372芯片發(fā)送數據的處理步驟如下：

①單片機執行WR_USB_DATA命令向CH372寫(xiě)入要發(fā)送的數據;

②CH372被動(dòng)地等待USB主機在需要時(shí)取走數據;

③當USB主機取走數據后，CH372首先鎖定當前USB緩沖區，防止重復發(fā)送數據，然后將INT引腳設置為低電平，向單片機請求中斷;

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

⑤CH372在GET_STATUS命令完成后將INT引腳恢復為高電平，取消中斷請求;

⑥由于通過(guò)上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”，所以單片機執行WR_USB_DATA命令向CH372寫(xiě)入另一組要發(fā)送的數據，如果沒(méi)有后續數據需要發(fā)送，那么單片機不必執行WR_USB_DATA命令;

⑦單片機執行UNLOCK_USB命令;

⑧CH372在UNLOCK_USB命令完成后釋放當前緩沖區，從而可以繼續USB通信;

⑨單片機退出中斷服務(wù)程序;

⑩如果單片機已經(jīng)寫(xiě)入了另一組要發(fā)送的數據，那么轉到步驟②，否則結束。

在內置固件模式的USB設備方式下，單片機只需要處理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)。

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

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

從通用的角度考慮，本文對應用層的功能模塊劃分如下：

①USB設備初始化模塊。實(shí)現設置USB設備的廠(chǎng)商VID和產(chǎn)品PID，工作模式為內置固件模式，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)中斷表示上位機已經(jīng)完成數據的接收，下一步讓單片機做什么就是中斷服務(wù)的內容。OUT事務(wù)中斷表示USB設備端已經(jīng)完成數據的接收，下一步讓單片機端做什么就是中斷服務(wù)的內容。中斷服務(wù)模塊的偽代碼如下：

本文給出的實(shí)例是當單片機接收到上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的“開(kāi)始溫度采集”信號后，開(kāi)始不斷啟動(dòng)溫度的采集和往上位機發(fā)送溫度數據，直到收到上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的“停止溫度采集”信號。本實(shí)例單片機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，讀取上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，從該數據中獲取信息，刷新“開(kāi)始溫度采集”的標志，然后退出中斷。在單片機主程序里面可以根據對該標志的判斷來(lái)決定開(kāi)始采集溫度還是暫停采集溫度。

3 上位機軟件設計

上位機的USB設備的驅動(dòng)編寫(xiě)采用的是NI-VISA圖形化的方法進(jìn)行設置，詳細步驟見(jiàn)參考文獻。驅動(dòng)編寫(xiě)后，接下來(lái)就是采用LabVIEW 2012編寫(xiě)上位機程序，上位機的運行界面如圖2所示。

其關(guān)鍵程序代碼如下：

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

②點(diǎn)擊運行界面上的“開(kāi)始采集溫度”按鈕。實(shí)現上位機往CH372設備發(fā)送一個(gè)字符“1”。CH372設備接收后，觸發(fā)單片機中斷服務(wù)讀取該字符。讀取該字符后，刷新“開(kāi)始采集溫度”的標志。在單片機的主程序中，根據該標志啟動(dòng)溫度采集和往上位機發(fā)送溫度數據。因此，上位機程序中必須含有往CH372設備寫(xiě)發(fā)送數據的操作和讀來(lái)自CH372設備數據的操作，該部分代碼如圖4所示。其中的關(guān)鍵函數是圖4所示的“VISA寫(xiě)入”函數和“VISA讀取”函數。

結語(yǔ)

該模板采用CH372芯片的內置同件模式，屏蔽了USB通信的底層細節，大大降低了USB通信的復雜度。同時(shí)對CH372的操作細節進(jìn)行了封裝，提供相應接口給應用層，開(kāi)發(fā)者的設計只局限在應用層，大大降低了開(kāi)發(fā)時(shí)間和難度。采用NI-VISA的圖形化配置的方法快速開(kāi)發(fā)了USB設備的驅動(dòng)，采用LabVIEW里面提供的函數方便實(shí)現USB設備打開(kāi)和讀寫(xiě)操作。因此，該模板能實(shí)現USB接口的虛擬數據采集儀的快速設計。