基于NI-VISA的USB接口虛擬數據采集儀設計

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：