基于VC的USB接口通信程序設計

　　0 引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數據采集和處理技術(shù)廣泛應用于雷達、通信、遙測、遙感等領(lǐng)域。而在早期的計算機系統上通常使用串口或并口來(lái)發(fā)送數據，每個(gè)接口都需要占用計算機內部很多的資源，傳統的接口一般采用PCI總線(xiàn)或RS-232串行總線(xiàn)。PCI總線(xiàn)有較高的傳輸速率，可達132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴充槽有限且插拔不方便；RS-232串行總線(xiàn)連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數據和傳送大量數據。USB(通用串行總線(xiàn))集中了PCI和RS-232串行總線(xiàn)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)應用于數據采集是非常合適的，可以達到數據采集系統的高速度處理。目前，USB已經(jīng)推出了其協(xié)議的2.0版本，速率高達480 Mbit／s。

　　本文研發(fā)了一套基于USB接口的數據采集系統，整個(gè)系統的設計涉及到硬件、設備固件(Firmware)、USB設備驅動(dòng)程序及客戶(hù)應用軟件。下面分別加以說(shuō)明。

　　1 USB接口芯片

　　本文介紹的USB數據采集系統采用了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)也加快了數據傳輸的速度。在系統中，CY7C68013-128AC既是數據采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3種型號：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對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(xiàn)和8位數據總線(xiàn)以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可擴展性最好。圖1是該芯片的內部結構圖。

　　2 USB的固件和驅動(dòng)程序設計

　　2.1固件

　　固件是儲存在程序內存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機和外設中其他電路能夠通信。Cypress公司給出了一個(gè)固件庫和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51開(kāi)發(fā)的。固件庫提供了一些常量、數據結構、宏、函數來(lái)簡(jiǎn)化用戶(hù)對芯片的使用；固件框架實(shí)現了初始化芯片、處理USB標準設備請求以及掛起狀態(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進(jìn)行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務(wù)。對于用戶(hù)而言，主要的工作就是選擇適當的傳輸方式，添加需要使用的端點(diǎn)(Endpoint)，考慮到本系統要求實(shí)現一定數量數據的快速采集，并要迅速地將采集到的數據傳輸和進(jìn)行分析處理，并且對數據的完整性要求較高，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()函數中添加功能代碼，以實(shí)現發(fā)送和接收數據功能，關(guān)鍵代碼分別如下：
       

　　2.2 USB設備驅動(dòng)程序

　　USB設備驅動(dòng)程序主要是使操作系統能夠識別USB設備，建立起主機端與設備端之間的通信，它們之間的通信是通過(guò)Windows提供的API函數實(shí)現的，這些函數可以控制顯示器、處理信息、訪(fǎng)問(wèn)存儲器、讀寫(xiě)磁盤(pán)和其他設備。

　　
　　圖2是USB設備驅動(dòng)程序的整體結構圖。
　　

　　USB設備驅動(dòng)的整體結構包括如下5個(gè)主要部分：USB應用程序接口、USB設備驅動(dòng)函數、USB中斷服務(wù)程序、USB回調接口程序、USB標準事件處理程序。
2.2.1 USB應用程序接口

　　USB應用程序接口主要功能是對USB驅動(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。當設備驅動(dòng)器裝入系統設備表時(shí)，I／O系統就調用該應用程序接口。

　　USB應用程序接口的一個(gè)例程主要包含：

　　a)對USB端口安裝、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步驟為：將USB設備驅動(dòng)器安裝到I／O系統設備表中，獲取USB控制器使用的中斷號，初始化USB驅動(dòng)器數據結構與USB端口狀態(tài)寄存器，啟動(dòng)USB標準事件處理程序。

　　b)打開(kāi)USB端口(USB_open())。USB_open函數允許應用程序打開(kāi)一個(gè)USB端口和選擇DMA數據傳輸方式。

　　c)關(guān)閉USB端口(USB_close())。USB_close函數允許應用程序關(guān)閉一個(gè)端口，并關(guān)閉DMA通道。

　　d)對USB端口進(jìn)行讀操作(USB_read())。USB_read函數允許應用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數據。

　　e)對USB端口進(jìn)行寫(xiě)操作(USB_write())。USB_write函數與USB_read函數功能類(lèi)似，允許應用程序寫(xiě)數據到輸入端口或控制端口。

　　f)對USB設備進(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；輸出端口產(chǎn)生接收零字節包或短包中斷；控制端口0接收設置包時(shí)產(chǎn)生中斷；USB控制器產(chǎn)生USB事件中斷，如幀起始(SOF)、掛起、恢復和復位。先識別發(fā)生USB中斷的類(lèi)型以清除中斷產(chǎn)生的條件，再讀USB狀態(tài)寄存器，獲取當前配置、接口或幀起始時(shí)間戳狀態(tài)信息，最后向USB控制器消息隊列或回調函數的接收消息隊列發(fā)送中斷消息。