基于LabVIEW的無(wú)線(xiàn)USB高速數據傳輸系統

引言

通用串行總線(xiàn)USB(UNIversal Serial Bus)作為一種新型的數據通信技術(shù)，具有即插即用、支持熱插撥、易于擴展、傳輸速度快、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn);短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是未來(lái)計算機和外設間進(jìn)行數據傳輸的發(fā)展趨勢，它具有分布靈活、使用簡(jiǎn)單、幾乎不受空間條件限制等特點(diǎn)。USB緊跟通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)化趨勢，2004年，惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子等多家大公司成立了WUSB(WirelessUSB)的促進(jìn)聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡(jiǎn)單，實(shí)現無(wú)線(xiàn)化。Cypress公司推出了低成本的芯片級遠距離2.4 GHz射頻系統一一WirelessUSBLR方案，與ZigBee和藍牙等復雜且昂貴的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案相比，WirelessUSBLR憑借其出色的遠程無(wú)線(xiàn)通信能力和低廉的系統成本，將無(wú)線(xiàn)系統的應用擴展到建筑、家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫療檢測、傳呼系統和顯示設備等領(lǐng)域。所以說(shuō)，如果將無(wú)線(xiàn)和USB完美結合，在保證數據采集速率的前提下，可以使得數據傳輸更加方便，與PC接口也更加簡(jiǎn)單。

通常開(kāi)發(fā)USB系統時(shí)，先用Windows DDK(設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包)或第三方開(kāi)發(fā)工具(如Driver Studio)開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)程序，然后用Visual C++編寫(xiě)DLL(動(dòng)態(tài)連接庫)，最后再調用DLL來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序，這對不熟悉Win—dows編程的人有一定的難度;而USB應用程序也大都是使用 Visual C++來(lái)編寫(xiě)的，過(guò)程繁瑣，調試麻煩，花費的時(shí)間也比較長(cháng)。

美國國家儀器NI(National Instlrument)公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)語(yǔ)言是一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言，含有豐富的數據采集、數據信號分析以及控制等子程序，易于調試和維護，且程序編程簡(jiǎn)單、直觀(guān)?？梢灾苯釉贚abVIEW環(huán)境下通過(guò)NI一VISA(Virtual Instlrument Software Architecture，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“VISA”)開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，完全避開(kāi)了以前開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)程序的復雜性，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。用它來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序，把采集來(lái)的數據傳送到主機上，再通過(guò)LabVIEW的模塊實(shí)現數據的實(shí)時(shí)顯示、分析和存儲。

本設計將利用Cypress公司的CYWUSB6935來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)USB的高速數據傳輸系統，通過(guò)LabVIEW來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1無(wú)線(xiàn)USB與LabVIEW概述

1.1無(wú)線(xiàn)USB和CYWUSB6935芯片

無(wú)線(xiàn)USB技術(shù)是一個(gè)全新的通信標準。它通過(guò)USB接口和最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)擴展了設備之間的連通性，最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴格受控于高斯單周期超短時(shí)脈沖;具有傳輸速度快、功耗小、移植方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn);最大的特點(diǎn)是傳輸速率高，3 m距離的最大傳輸速率達480 Mbps，其性能與現有的USB2.O相同。雖然在傳輸距離上，WUSB性能沒(méi)有達到USB2.0所規定的最長(cháng)5 m的距離，但對置于計算機周?chē)脑O備來(lái)說(shuō)，3 m的距離已經(jīng)足夠了。一般情況下，通信距離越長(cháng)，速率越慢;因此WUSB規定10 m的傳輸速率為110 Mbps。10 m足以覆蓋當前家庭的居室，此距離的速率已經(jīng)超過(guò)了目前的WLAN。

無(wú)線(xiàn)USB和有線(xiàn)USB2.0一樣，它也能處理4種傳輸形式，即控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸。主機和無(wú)線(xiàn)USB設備合稱(chēng)WUSB集群，采用星型拓撲，不需要WUSB集線(xiàn)器，WUSB主機能直接連接多達127個(gè)設備。主機支持8種數據速率：53.3 Mbps、80 Mbps、106.7Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480Mbps。設備必須支持3種數據速率53.3 Mbps、106.7Mbps、200 Mbps，其他5種為可選數據率。

針對無(wú)線(xiàn)傳輸的現狀，Cypress公司推出了低成本、高集成度的芯片CYWUSB6935，CYWUSB6935芯片結構框圖如圖1所示。

CYWUSB6935內部集成了串行數據接口(SPI)、串并/并串轉換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2.4 GHz的射頻收發(fā)器;采用高斯頻移鍵控調制解調器(GFSKModem)和直接順序擴展頻譜(DSSS)數字基帶模塊;用戶(hù)可以通過(guò)控制信號靈活地設置射頻和數字基帶部分。為了進(jìn)一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個(gè)擴頻編碼調制到78個(gè)1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶(hù)提供3 822個(gè)獨立的頻道，讓每個(gè)主系統能夠連接多組外圍設備，且通信距離可達到50 m或更遠。

WUSB6935有4種工作模式：64 chips/bit單通道、32chips/bit雙通道、32 chips/bit單通道雙倍采樣和32chips/bit單通道雙倍數據速率。該系統選用32 chips/bit單通道雙倍采樣。模式選擇通過(guò)配置REG—DATA—RATE(0X04)來(lái)實(shí)現。接收和發(fā)射均采用中斷的方式。中斷的方式有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個(gè)IRQ引腳。配置REG(0XOD)使得發(fā)射中斷使能，將要發(fā)送的數據送到數據發(fā)送寄存器(0XOF)，數據便通過(guò)RFOUT引腳發(fā)送出去。接收中斷使能寄存器為REG(0X07)，通過(guò)讀取中斷狀態(tài)寄存器REG(0X08)可以確定中斷類(lèi)型，然后從相應的數據接收寄存器中獲得相應通道的數據。

1.2LabVIEW和NI VISA

LabVIEW是美國國家儀器NI公司開(kāi)發(fā)的一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言，廣泛應用于數據采集與控制、信號處理以及數據表達等方面，它提供了一種全新的編程方法，即對軟件對象“虛擬儀器(VI)”進(jìn)行圖形化的組合操作。LabVIEW程序的執行順序是按數據流的方式確定的，可以實(shí)現多任務(wù)的并行。用戶(hù)通過(guò)創(chuàng )建和調用子程序的方法編寫(xiě)程序，使創(chuàng )建的程序模塊化，而且程序簡(jiǎn)單、直觀(guān)。

LabVIEW的應用程序，即虛擬儀器(VI)，包括3部分：前面板(front panel)，是LabVIEW程序的圖形用戶(hù)界面，用于設置輸入數值和觀(guān)察輸出量，相當于傳統儀器的面板;框圖程序(block diagram)，提供VI的圖形化源程序，是利用圖形語(yǔ)言編程控制和定義在前面板上的輸入和輸出功能;圖標/連結器(icon/connector)，用于把Lab—VIEW程序定義成一個(gè)子程序，從而實(shí)現模塊化編程。

NI—VISA也是NI公司開(kāi)發(fā)的一種用來(lái)與各種儀器總線(xiàn)進(jìn)行通信的高級應用編程接口(API)。VISA總線(xiàn)I/0軟件是一個(gè)綜合軟件包，不受平臺、總線(xiàn)和環(huán)境的限制，可用來(lái)對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統進(jìn)行配置、編程和調試。本文介紹的高速數據傳輸系統采用它開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程。

2無(wú)線(xiàn)USB高速數據傳輸系統的設計

該無(wú)線(xiàn)USB數據傳輸系統構成如圖2所示。

2.1系統硬件設計

該系統使用了128引腳的CY7C68013單片機以及CYWUSB6935射頻模塊，其硬件設計框圖如圖3所示。

CY7C68013是Cypress公司的EZ—USBFX2系列芯片。其芯片固件存儲在主機上而不是在芯片內部，顯著(zhù)特點(diǎn)是代碼升級容易。該系列芯片集成了USB2.O收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、帶 8.5 KB片上RAM的增強型8051、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I/0口、數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和通用可編程接口(GPIF)。CYWUSB6935的SPI四個(gè)引腳(MOSI、MISO、SS、 SCK)支持兩種傳輸模式——單字節模式和序列多字節模式。為了提高傳輸效率，本系統采用序列多字節模式。

2.2系統軟件設計

數據傳輸系統軟件設計分為3部分：設備固件程序、驅動(dòng)程序以及應用程序，如圖4所示。

設備固件(firmware)程序在主機上調試編譯完后，枚舉時(shí)下載到RAM內，它使得USB接口芯片與主機和外設中的其他電路能夠通信，因此固件程序包括響應主機要求部分和控制外設部分。利用Cypress公司提供的固件框架來(lái)開(kāi)發(fā)固件，可以簡(jiǎn)化固件開(kāi)發(fā)過(guò)程。

驅動(dòng)程序是LabVIEW與USB接口的驅動(dòng)程序，應用程序通過(guò)驅動(dòng)程序與系統USBI(USBDevice Interface)進(jìn)行通信，由系統產(chǎn)生USB數據的傳送動(dòng)作;固件響應各種來(lái)自系統的USB標準請求，完成數據的交換工作和事件處理。

2.2.1 設備固件程序設計

Cypress公司提供了固件框架來(lái)開(kāi)發(fā)框架，在Keil C51下開(kāi)發(fā)，該框架主要由以下幾部分組成：

①FW.C中包含程序框架的MAIN函數，由于Cy—press公司已經(jīng)精心劃分了這部分的功能，所以一般不用改動(dòng)。

②PERIPH.C是用戶(hù)函數掛鉤的相關(guān)定義，這部分需要根據自己系統的需要實(shí)例化這個(gè)文件，以實(shí)現特定的功能。

③TD_Init函數是在設備重枚舉和任務(wù)調度啟用之前調用，用來(lái)初始化用戶(hù)的全局狀態(tài)變量，并負責對USB端點(diǎn)進(jìn)行初始化設置。在本設計中將端點(diǎn)2設置為1 024個(gè)字節，4重緩沖，自動(dòng)輸入模式。

④TD_Poll函數是系統中循環(huán)任務(wù)的處理函數，主要負責對各個(gè)端點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)，處理各種IN和0UT端點(diǎn)的交互。

⑤Ezusb.lib和USBJmpTb.OBJ分別為EZUSB函數庫的二進(jìn)制文件和USB的中斷向量表。

⑥DSCR.a51是描述符文件，包括標準設備描述符、類(lèi)描述符和用戶(hù)指定的描述符。

2.2.2LabVIEW中調用VISA

當進(jìn)行USB通信時(shí)，VISA提供了兩類(lèi)函數供Lab—VIEW調用：USBINSTR設備與USBRAW設備。USBINSTR設備是符合USBTMC協(xié)議的USB設備，可以通過(guò)使用USBINSTR類(lèi)函數控制，通信時(shí)無(wú)需配置VISA;而USBRAW設備是指除了明確符合USBTMC規格的儀器之外的任何USB設備，通信時(shí)要配置VISA。該系統是USBRAW設備，故需要配置VISA。配置VISA的步驟如下：

①使用Driver Development wizard(驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向導)創(chuàng )建INF文檔。打開(kāi)VISA Driver Developer Wizard，然后選擇USB，進(jìn)入VISA DDW基本設備信息窗口(在這一步確認USB設備的供應商ID和產(chǎn)品ID)，接下來(lái)填寫(xiě)USB儀器前綴，用來(lái)識別本設備所用的相關(guān)文檔，這時(shí)INF文檔就被保存到指定的位置。

②安裝INF文檔及使用INF文檔的USB設備。

③使用VISA Interactive Control(VISA互動(dòng)控制工具)對設備進(jìn)行測試，以證實(shí)USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。

USB設備安裝完畢后，就可以與VISA進(jìn)行簡(jiǎn)單的通信。VISA支持3種類(lèi)型的USB管道：控制、批量和中斷。VISA探測到USB儀器時(shí)，會(huì )對儀器進(jìn)行自動(dòng)掃描，尋找各種類(lèi)型的最低可用端點(diǎn)。VISA探測到最低可用端點(diǎn)后，即將該值賦予適當的VISA屬性。bulk in端點(diǎn)和bulk out端點(diǎn)分別存儲在VI_ATTR_USB_BULK_IN_PIPE屬性和VI_ATTR_USB_BULK_OUT_PIPE屬性之中。 interrupt in端點(diǎn)存放在VI_ATTR_USB_INTR_IN_PIPE屬性之中。如果值為一1，則表示USB設備不支持這種類(lèi)型的管道。對于控制型管道，只有端點(diǎn)O才受到支持。在LabVIEW中，應使用“Write VISA Property(寫(xiě)入VISA屬性)”節點(diǎn)。VI-SA有4種通過(guò)USB管道傳輸數據的功能。在能夠使用這些功能與設備進(jìn)行通信之前，還需要使用 VISAUSB屬性建立通信協(xié)議。使用VISAUSBContro1 In和VISAUSBContro1 0ut來(lái)控制管道傳輸數據，并用此來(lái)獲得USBRAW設備的各種描述符。另外使用VISA Read和VISAWrite選擇批量管道來(lái)傳輸目標數據。通過(guò)上述方法成功實(shí)現了LabVIEW與USB驅動(dòng)程序的數據交換，從而實(shí)現了以LabVIEW為平臺的無(wú)線(xiàn)USB高速數據傳輸系統。

結語(yǔ)

實(shí)驗證明，采用無(wú)線(xiàn)USB系統進(jìn)行數據傳輸，將USB接口和短距離無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)有機地結合起來(lái)，不僅能實(shí)現較高的數據傳輸率，而且改變了數據的傳輸方式，由傳統的有線(xiàn)傳輸改為無(wú)線(xiàn)傳輸，使傳輸系統更加方便、可靠、高速。除此之外，無(wú)線(xiàn)USB憑借其完美的性能和低廉的成本，可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò )端的需求，將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的主流。采用基于NI—VISA驅動(dòng)USB接口和LabVIEW開(kāi)發(fā)應用程序的設計方法，降低了開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，使得該系統性?xún)r(jià)比較高，通用性較好。隨著(zhù)USB技術(shù)和短距離無(wú)線(xiàn)通信的進(jìn)一步發(fā)展，WUSB會(huì )表現出更好的性能，應用范圍將日趨廣泛。集成了無(wú)線(xiàn)USB接口和LabVIEW語(yǔ)言的數據傳輸系統具有廣闊的發(fā)展前景，易于開(kāi)發(fā)、數據處理簡(jiǎn)單。