基于VC的USB接口通信程序设计

2008-06-30 14:17:55来源: 中国电子网

  0 引言

  随着信息技术的迅速发展,数据采集和处理技术广泛应用于雷达、通信、遥测、遥感等领域。而在早期的计算机系统上通常使用串口或并口来发送数据,每个接口都需要占用计算机内部很多的资源,传统的接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线有较高的传输速率,可达132 Mbit/s,也可以即插即用,但是它们的扩充槽有限且插拔不方便;RS-232串行总线连接比较方便,但是传输速率太慢,不易用于高速传送数据和传送大量数据。USB(通用串行总线)集中了PCI和RS-232串行总线的优点,具有方便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率,因此,将USB技术应用于数据采集是非常合适的,可以达到数据采集系统的高速度处理。目前,USB已经推出了其协议的2.0版本,速率高达480 Mbit/s。

  本文研发了一套基于USB接口的数据采集系统,整个系统的设计涉及到硬件、设备固件(Firmware)、USB设备驱动程序及客户应用软件。下面分别加以说明。

  1 USB接口芯片

  本文介绍的USB数据采集系统采用了Cypress公司EZ-USBFX2系列的CY7C68013-128AC芯片,它同时集成了8051微控制器和USB2.0收发器,在提高集成度的同时也加快了数据传输的速度。在系统中,CY7C68013-128AC既是数据采集控制器又是USB控制器,EZ-USBFX2系列有3种型号:CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。该系列的芯片都是针对USB2.0的,并且与USB1.1兼容。其中,CY7C68013-128AC是128脚,TPQF封装,功能非常完善,与另外两种相比,主要是增加了16位地址总线和8位数据总线以及更多的IO口,因此,CY7C68013-128AC的可扩展性最好。图1是该芯片的内部结构图。

  2 USB固件和驱动程序设计

  2.1固件

  固件是储存在程序内存中的代码,它使得USB接口芯片与主机和外设中其他电路能够通信。Cypress公司给出了一个固件库和固件框架(Frame Works),均是用Keil C51开发的。固件库提供了一些常量、数据结构、宏、函数来简化用户对芯片的使用;固件框架实现了初始化芯片、处理USB标准设备请求以及挂起状态下的电源管理等功能。该框架不添加任何代码,编码后产生的.HEX文件载入芯片就能与主机进行基本的USB通信,只是不能完成特定的任务。对于用户而言,主要的工作就是选择适当的传输方式,添加需要使用的端点(Endpoint),考虑到本系统要求实现一定数量数据的快速采集,并要迅速地将采集到的数据传输和进行分析处理,并且对数据的完整性要求较高,我们采用了块传输方式(Bulk Transfers),在TD-Init()函数中添加初始化代码,亦即选择块传输方式和选择端点2、6分别为输出、输入端口,在TD-Poll()函数中添加功能代码,以实现发送和接收数据功能,关键代码分别如下:

  

  

  2.2 USB设备驱动程序

  USB设备驱动程序主要是使操作系统能够识别USB设备,建立起主机端与设备端之间的通信,它们之间的通信是通过Windows提供的API函数实现的,这些函数可以控制显示器、处理信息、访问存储器、读写磁盘和其他设备。

  

  

  

  图2是USB设备驱动程序的整体结构图。

  

  

  USB设备驱动的整体结构包括如下5个主要部分:USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。

  2.2.1 USB应用程序接口

  USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时,I/O系统就调用该应用程序接口。

  USB应用程序接口的一个例程主要包含:

  a)对USB端口安装、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步骤为:将USB设备驱动器安装到I/O系统设备表中,获取USB控制器使用的中断号,初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器,启动USB标准事件处理程序。

  b)打开USB端口(USB_open())。USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口和选择DMA数据传输方式。

  c)关闭USB端口(USB_close())。USB_close函数允许应用程序关闭一个端口,并关闭DMA通道。

  d)对USB端口进行读操作(USB_read())。USB_read函数允许应用程序从输出端口或控制端口读取一定量的数据。

  e)对USB端口进行写操作(USB_write())。USB_write函数与USB_read函数功能类似,允许应用程序写数据到输入端口或控制端口。

  f)对USB设备进行I/O控制操作(USB_ioctl())。

  2.2.2 USB中断服务程序

  USB控制器产生单一中断,多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK/ERROR中断;输出端口产生接收零字节包或短包中断;控制端口0接收设置包时产生中断;USB控制器产生USB事件中断,如帧起始(SOF)、挂起、恢复和复位。先识别发生USB中断的类型以清除中断产生的条件,再读USB状态寄存器,获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息,最后向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送中断消息。

  2.2.3 USB标准事件处理程序

  USB驱动器初始化后,启动USB标准事件处理程序负责处理枚举过程和异步USB事件。事件处理程序使用控制端口0,直到完成枚举过程。当USB应用程序处于非活动状态时,除控制端口0以外端口均不可访问。事件处理程序在端口0上执行控制操作,响应USB标准请求,并负责通知USB应用程序枚举完成和接口活动状态,USB事件通过回调接口传递到USB外设应用程序。当对USB端口枚举操作完成,USB应用程序就可打开并使用USB端口。

  3客户应用软件

  开发系统应用软件的底层,需要极好的兼容性和稳定性。对于广大用户而言,与系统的交互是通过应用程序实现的,因此,如何设计出运行效率高、界面友好、稳定性高的应用程序是至关重要的因素。。VC++是开发Windows应用程序的主流开发工具,充分利用它的面向对象特性的C++和功能强大的MFC来开发专业级的应用程序,MFC是一个强大的、扩展的C++类层次结构,它能使开发Windows应用程序变得更加容易,而且在整个Windows家族中都是兼容的。Lab-Windows/CVI是以ANSI c为核心的交互式虚拟仪器开发环境,它将功能强大的C语言与测控技术有机结合,具有灵活的交互式编程方法和丰富的库函数。本设计就是采用Visual C++6.0和LabWindows/CV提供的Graph控件来开发应用程序的,应用程序的主要功能有:打开/关闭USB设备,检测USB设备,实现向USB设备发送指定数量的数据。

  下面是各部分的一些代码及说明:

  1)查找、打开USB设备

  

  

  2)线程(Thread)

  线程就是程序中单独顺序的流控制。线程是进程中的实体,一个进程可以拥有多个线程,一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源,只有运行必须的一些数据结构;它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。图3是线程的状态转换图。

  

  

  

  线程被分为两种:用户界面线程和工作线程(又称为后台线程)。本程序设计主要使用工作线程来执行数据的读写操作等,它与用户界面线程的区别是不用从CWinThread类派生来创建,对它来说最重要的是如何实现工作线程任务的运行控制函数。

  对于工作线程来说,启动一个线程,首先需要编写一个希望与应用程序的其余部分并行运行的函数,如Fun(),接着定义一个指向CWinThread对象的指针变量*pThread,调用AfxBeginThread(Fun,param,priori-ty)函数,返回值赋给pThread变量的同时启动该线程执行上述Funl()函数,其中Fun是线程要运行的函数的名字,亦即控制函数的名字,param是准备传送给线程函数Fun的任意32位值,priority是定义该线程的优先级别,是预定义的常数,可参考MSDN。

  本程序设计中的关键代码如下:

  

  

  4实例

  本例中使用了LabWindows/CVI的Graph图形显示控件,用来显示各类信号波形,如普通连续波信号波形、单载频矩形脉冲信号波形、调频(非线性调频)脉冲压缩信号波形和二相编码波形等。图4为各类信号波形图。这些信号均为数据采集系统的测试信号,可由DDS(直接数字频率合成器)芯片AD9858实现。

  将图4中各类信号波形的频率、宽度、幅度和载频信号频率等参数读出来,分别进行一些计算,将计算出的结果通过USB口传送到DDS来产生波形;其他公共参数如"DDS时钟频率"根据实际采用的时钟频率设置。比如线性调频信号,一般关心的是一个信号的带宽、起始频率和调频斜率这3个值。这3个参数其实就是信号波形中的起始频率fs、终止频率f0和持续时间t,它们是等价的,现在把这些参数的值从测试信号波形中读出来,然后代入下式:DFRRW(8(f0-fs)/t)231/SCLK。式中:SCLK是DDS的时钟频率,它的值设为1 GHz;DFRRW为步进频率斜率控制字,它的值设为1,代表每8 ns更新一次。最后把计算出的DFTW(步进频率调节字)值通过USB口传送到DDS。

  

  

  另外,二相编码的实现是通过控制DDS的POW(相位补偿字)来实现的,通过改变PSO和PS1的值,就可以改变信号的相位,而且相位的改变可以是绝对调相和相对调相。这里使用了4个工作组,其中2个工作组的POW为0,另外2个工作组中的POW为π。将上面测试信号波形中的参数读出来,代人POW=214W/360中,其中W为波形的相位值,再把计算出的POW值通过USB口传送到DDS即可。

  5结束语

  本设计中使用的USB2.0作为接口部分,具有接口简单、传输速率高和即插即用等特点;应用程序充分利用VC的MFC框架的比较丰富的资源和LabWin-dows/CVI丰富的库函数,在进行数据采集和控制时,具有界面友好、兼容性和工作可靠、稳定等特点。经实际运用证明,本设计合理,使用方便,在数据采集过程中,很容易实现高速度传输数据并进行分析处理。

关键字:USB设备  USB通信  信号波形  USB接口  USB技术  库函数  pThread

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0630/article_1033.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
USB设备
USB通信
信号波形
USB接口
USB技术
库函数
pThread

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved