基于USB总线和Aduc831的数据采集系统的设计方案

　　由于信息网络化的发展，经常需要将各种设备与主机相连，传统的外设与主机的信息化代表了一种信息技术被高度应用，信息资源被高度共享，从而使得人的智能潜力以及社会物质资源潜力被充分发挥，个人行为、组织决策和社会运行趋于合理化的理想状态。同时信息化也是IT产业发展与IT在社会经济各部门扩散的基础之上的，不断运用IT改造传统的经济、社会结构从而通往如前所述的理想状态的一个持续的过程。通讯接口一般是基于PCI总线、ISA总线或者是RS-232C串行总线。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。

　　1.USB简介

　　1.1USB特点

　　USB的英文全称为Universal Serial Bus,它是一种快速、双向、同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。它的特点主要有：

　　1）速度快。速度性能是USB技术的突出特点之一。USB接口的传输率可达每秒12Mb,比串口快了整整100倍，比并口也快了十多倍。

　　2） 设备安装和配置容易。安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备均支持热插拔，且易于扩展。

　　3） 使用灵活。USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头（Hub），把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在 USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用 "级联"方式，即每个USB设备用一个USB 插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接 用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设，而每个外 设间距离（线缆长度）可达5米。

　　1.2 USB总线协议

　　USB总线属于一种轮讯方式总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作多传送三个数据包，包括令牌（Token）、数据（Data）、联络（HandShake）。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包（TokenPacket）。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。

　　2. 硬件设计

　　2.1 Aduc831简介

　　ADuC831 是一个完全综合的247 k采样保持数据采集系统，在同一片中 结合了高性能的自校准12位 ADC 多路通道，双12位 DAC通道和可编程8位 MCU.微处理器是 8052,提供片内 62 kB 非易失性闪速/电擦除程序存储器。还提供片内 4 kB 非易失性闪速/电擦除数据存储器、256 b RAM 和2 kB 扩展 RAM.

　　ADuC831 还提供额外的电源监视器， 和一个高参考源。片内数字外围设备包括2个16位Σ-Δ DAC, 双输出16位 PWM,看门狗定时器， 定时间隔计数器，3个定时器/计数器， 定时器 3用于波特率产生核 串行接口 I/O （I2C, SPI 和UART） .

　　并且片内提供串行和调试模式 （通过 UART）， 并且通过EA引脚提供单引脚竞争模式。ADuC831 支持 QuickStart 和 QuickStart Plus 升级系统和低成本的软件和硬件工具。

　　2.2 USBN9603简介

　　USBN9603是一个集成的USB端点控制器，具有增强的DMA功能。USBN9603集成了一个带有3.3V的调节器的收发器，1个SIE（串行接口引擎），1个8 b并行接口，1个时钟发生器和1个MICROWIRE/PLUS接口。USBN9603可以进行7个端点的数据传输，除了1个端点必须为控制传输端点以外，其他的6个端点可以被配置成中断传输端点、批量传输端点或者等时传输端点；每一个端点都有一个专门的FIFO,控制端点的FIFO长度为8B,其他的为64B.8 b并行接口可以支持多路复用或者非多路复用2种与CPU的接口方式。USBN9603的突出特点为：低EMI（电磁干扰），低等待电流，24M晶振，增强的DMA功能；可使用5V或3.3V电源；总线操作具有异步唤醒的全速静态HALT模式；改进的3.3V电压输入的电压调节器，所有非双向端点都有64B 的FIFO;外部控制器接口简单，编程方便。

　　2.3 原理图设计

　　USB数据采集系统硬件模块主要由Aduc831芯片、USB接口芯片USBN9603组成。硬件结构简单，硬件总体结构框图如图1所示。

　　模拟输入信号A/D转换器，转换结果存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理，然后Aduc831系统将数据从FIFO存储器中读出，由收发器通过数据线（D+、D-）送至主机。

　　当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求后，通过中断方式将此请求通知Aduc831系统，Aduc831系统通过访问USB控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。Aduc831与USBN9603接口电路如图2所示。

　　3. 系统软件设计

　　系统软件主要包括：控制程序和USB设备驱动程序。

　　3.1 控制程序

　　程序控制法即对经常性的重复出现的业务，要求执行人员按规定的标准化程序来完成，以保证业务处理质量达到控制目标和要求。程序控制要求按照牵制的原则进行程序设置，所有的主要业务活动都要建立切实可行的办理程序。即：按生产流程，每道工序的终点为程序控制点， 每道工序的终点的生产者为质量控制者，对不合格的加工、 不合格的配制有责任也有权提出改正， 这样使每个人在生产过程都受到监控。

　　既然程序也是计划，因而程序的设计必须考虑到有助于实现整个组织的（而不仅仅是个别部门的）目标和提高整个组织的效率。主管人员应当向自己提出如下的问题并作出满意的回答：程序是否已计划好？如果建立某一程序是必要的，那么所设计的程序能否收到预期的效果？能否有助于实现计划？举个例子，间接材料的发放程序必须起到监督间接材料的领用、控制间接材料的消耗、加强成本核算、降低成本、提高企业经济效率的作用。

　　控制程序主要功能有控制A/D采样， 控制USBN9603接受并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令不用仿真机，不用传统的方法向EEPROM中烧制程序，所以调试起来非常方便。控制程序流程、中断处理程序如图3、4所示。

　　3.2 USB设备驱动程序设计

　　USB设备驱动程序基于WDM.WDM

　　型驱动程序是内核程序，与标准的Win32用户态程序不同。采用了分层处理的方法， 较的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较的通用串行总线模块（USBD）和较低级的主控制器驱动程序模块（HCD）。USB设备驱动程序不必具体对硬件编程，所有的USB命令、读写操作通过总线驱动程序转给USB设备。但是，USB设备驱动程序必须定义与外部设备的通讯接口和通讯的数据格式，也必须定义与应用程序的接口。Windows环境下驱动程序共有三类，一类是VxD（ Virtual Device Driver,虚拟设备驱动程序），起源于Windows 3.1 时代，用于Windows 95/98/Me操作系统中；一类是KMD（ Kernel Mode Driver,内核模式驱动程序），用于Windows NT下；还有一类就是WDM（Win32 Driver Mode,Win32驱动程序模型），是微软从Windows 98开始，推出的一个新的驱动类型，它是一个跨平台的驱动程序模型，不仅如此WDM驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行，毫不夸张地讲，WDM算得上是21世纪的驱动程序框架。另外，所有对各种IRP（I/O请求包）的处理例程都在此入口函数中作为定义。

　　DriverEntry（IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,…） //驱动程序入口

　　{

　　DriverObject->DriverExtension->AddDevice=USBAddDevice;

　　DriverObject->DriverUnload=USBUnload;

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=USBRead;

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]=USBWrite;

　　DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = USBDeviceControl;

　　RegisterForPnpNotification（DriverObject）；

　　return status;

　　}

　　电源管理模块负责设备的挂起与唤醒

　　I/O功能实现模块完成I/O请求的大部分工作。若应用程序想对设备进行I/O操作，它便使用Windows API函数，对WIN32子系统进行WIN32调用。此调用由I/O系统服务接收并通知I/O管理器，I/O管理将此请求构造成一个合适的I/O请求包（IRP）并把它传递给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到这个IRP以后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造相应的USB请求块并把此 URB（USB请求块）放到一个新的IRP中。然后，把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作（如从USB设备读取数据等），并把操作结构通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到此IRP后，将操作结果通过IRP返还给 I/O管理器。，I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的I/O操作完成。

　　结束语：

　　USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准。它使设备具有热插拔，即插即用，自动配置的能力，并标准化设备连接， 还可与MAX

　　485结合起来实现数据的远程采集。该系统具有可靠性高、性价比高和多点采集等优点。而USB2.0标准具有更高的传输速率，更具有美好的应用前景。

　　即插即用管理模块用来实现USB设备的热插拔及动态配置。当硬件检测到有USB设备接入时，Windows98查找响应的驱动程序，并调用它的 DriverEntry例程。PnP（即插即用）管理器调用驱动程序的AddDevice例程，告诉它添加了一个设备。在此处理过程中，驱动程序收到一个设备启动请求（IRP_MN_START_DEVICE）的IRP.同理，当要拔除时，PnP管理器会发出一个设备删除请求（IRP_MN_REMOVE_DEVICE）的IRP,由驱动程序进行处理。通过对这些PnP请求的处理，可支持设备的热插拔和即插即用

  

参考文献:

[1]. PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.