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基于USB总线的实时数据采集系统设计与实现
[正文]:在现代工业生产和科学技术研究的各行业中，通常需要对各种数据进行采集。
目前通用的通过数据采集板卡采集的方法存在着以下缺点：安装麻烦，易受机箱内环境的干扰而导致采集数据的失真，易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，可扩展性差。
而通用串行总线usb(universal serial bus)的出现，很好地解决了上述问题，很容易实现便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系统的发展趋势。
1系统硬件设计与实现1．1硬件总体结构基于usb总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、a／d转换器、单片机、usb接口芯片，其硬件总体结构如图1所示。
多路模拟信号经过模拟开关传到a／d转换器转换为数字信号，单片机控制采集，usb接口芯片存储采集到的数据并将其上传至pc，同时也接收pc机usb控制器的控制信息。
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1．2 pdiusbdl2芯片usb接口芯片采用philips公司的一种专用芯片pdius-bdl2(以下简称d12)。
该芯片完全符合usbl．1规范，集成了sie、320b的多配置fifo存储器、收发器、电压调整器、softconnect、goodlink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等，支持双电压工作、完全自动dma操作、多中断模式，内部结构如图2所示。
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单片机通过8位并行接口传送经过a／d转换的采集数据，存储在fifo存储器中。
一旦存满，串行接口引擎sie立刻对数据进行处理，包括同步模式识别、并／串转换、位填充／不填充、crc校验、pid确认、地址识别以及握手鉴定，处理完毕后数据由模拟收／发器通过d+、d-发送至pc。
上述过程遵循usbl．1协议。
d12与89c51的具体实现电路如图3所示。
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2系统软件设计与实现系统软件包括usb设备固件编程、驱动程序和应用程序。
其中设备固件是整个系统的核心，它控制芯片d12采集数据、接收并处理usb驱动程序的请求和应用程序的控制指令。
2．1 usb设备固件程序设计与实现设备固件是设备运行的核心，用c语言设计。
其主要功能是控制a／d模块的数据采集；接收并处理驱动程序的请求，如请求描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等usbl．1标准请求；控制芯片d12接收应用程序的控制指令等。
其程序主框图如图4所示。
单片机检测到d12后进入主循环。
此时pc机先发令牌包给d12，d12接收到令牌包后给单片机发中断，单片机据中断类型设定标志位status，最后执行相应标志位的中断服务程序。
单片机通过a／d模块的中断入口控制a／d模块的数据采集。
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2．2驱动程序设计与实现usb系统驱动程序采用分层结构模型：较高级的usb设备驱动程序和较低级的usb函数层。
其中usb函数层由通用串行总线驱动程序模块(usbd)和主控制器驱动程序模块(hcd)组成。
为使驱动程序具有通用性，也为简化应用程序的开发，编写了供应用程序调用的动态链接库。
这样应用程序只需调用此库提供的接口函数即可完成对usb设备的操作。
usb函数层(usbd及hcd)由windows98提供，负责管理usb设备驱动程序与usb控制器之间的通信、加载及卸载usb驱动程序等。
目前windows98提供的多种usb设备驱动程序并不针对实时数据采集设备，因此采用ddk开发工具设计专用的设备驱动程序。
其由四个模块组成：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及i／o功能实现模块。
初始化模块提供一个driverentry人口点执行一系列的初始化过程。
即插即用管理模块实现usb设备的热插拔及动态配置。
当windows98检测到usb设备接人时，查找相应的驱动程序，并调用它的driverentry例程，pnp管理器调用驱动程序的adddevice例程，告诉它添加了一个设备；然后驱动程序为usb设备建立一个功能设备对象。
在此过程中，驱动程序收到一个irlmn-staridevice的irp，包括设备分配的资源信息。
至此，设备被正确配置，驱动程序开始与硬件进行对话。
电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。
i／0功能实现模块完成i／o请求的大部分工作。
当动态链接库提出i／0请求时调用win32api函数devicetocontrol向设备发出命令；然后由i／0管理器构造一个irp并设置其majorfunction域为irp_mj_device_con-trol。
usb设备驱动程序收到该irp后取出其中的控制码，并利用一个开关语句找到对应的例程入口。
2．3 应用程序设计与实现应用程序采用visual basic6．0编写。
由于其只需调用动态链接库，故开发较简单。
主要功能包括检测usb设备、开启／关闭usb设备、设置a／d状态和数据采集端口、显示并分析实时采集的数据。
主框图如图5所示。
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由于d12的端点1的fifo为16字节，端点2的fifo为64字节，当缓冲区存满后自动将数据打包，由sie自动发送数据包。
程序获得数据包后需延迟至下组数据包准备完毕，从而保证程序与数据采集同步。
另外程序还发出停止采集和关闭usb设备的命令。
3系统特点基于usb总线的实时数据采集系统严格遵循usbl．1协议，有以下特点：(1)易于扩展。
最长传输距离5m，采用usbhub可达30m；最多可同时接127个设备。
(2)电磁干扰影响极小。
本系统放置在计算机外部，不受板卡间的电磁干扰影响；若在电磁干扰极强的环境下工作，需专门为其设计电磁屏蔽方案。
(3)安装方便，支持即插即用。
克服了以往数据采集板卡需要打开机箱的麻烦。
(4)性价比高，远优于传统的实时数据采集系统。
(5)实时采集，实时显示。
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