USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

系統(tǒng)中利用GPDMA控制器產(chǎn)生的半滿和全滿中斷信號協(xié)調(diào)兩個DMA對同一個緩存空間的操作，實現(xiàn)了LPC2888對整個數(shù)據(jù)傳輸過程的協(xié)調(diào)控制。當DMA通道3工作時，采樣數(shù)據(jù)從CPLD傳輸?shù)絙uffer1，同時USB高速設(shè)備控制器對buffer2中的數(shù)據(jù)進行DMA操作;當DMA通道5工作時，采樣數(shù)據(jù)傳輸到buffer2，USB高速設(shè)備控制器對buffer1中的數(shù)據(jù)進行操作。如圖5中LPC2888程序流程所示。

圖5 LPC2888程序流程

3、上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機軟件包括兩個部分：設(shè)備驅(qū)動程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序。開發(fā)USB設(shè)備的一個關(guān)鍵問題在于設(shè)備驅(qū)動程序的編寫。傳統(tǒng)的開發(fā)工具是微軟公司提供的設(shè)備驅(qū)動開發(fā)工具包：Windows DDK(Device Driver Kits)，以及由第三方公司基于DDK開發(fā)的驅(qū)動程序開發(fā)工具包：WinDriver或DriverWorks。DDK基于匯編語言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對于沒有深厚的操作系統(tǒng)原理和編程水平的人員來說，任務(wù)相當艱巨。本文使用美國國家儀器NI (National Instruments)公司開發(fā)的NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)控制USB設(shè)備，直接配置VISA生成設(shè)備驅(qū)動程序，避開了以往開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序的復雜性，同時直接使用虛擬儀器軟件設(shè)計平臺LabWindows CVI開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用程序，縮短了開發(fā)周期。

3.1 使用NI-VISA開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序

NI-VISA是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口。VISA總線I/O軟件是一個綜合軟件包，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試。使用VISA可以很容易地實現(xiàn)計算機應(yīng)用程序和USB設(shè)備之間的連接，降低了設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)難度。

VISA提供了兩類函數(shù)供應(yīng)用軟件調(diào)用，USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USBTMC(USB測試測量類)協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，通信時無需配置NI-VISA;而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備，通信時要配置NI-VISA。經(jīng)過配置后，VISA自動創(chuàng)建好設(shè)備驅(qū)動文件：inf文件和PNF文件。當相應(yīng)的USB設(shè)備連接到計算機時，操作系統(tǒng)將自動安裝該設(shè)備驅(qū)動并識別該設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

使用NI-VISA開發(fā)的USB設(shè)備可以在LabVIEW和LabWindows CVI中直接調(diào)用，其中有相應(yīng)的VI子節(jié)點和庫函數(shù)對設(shè)備進行操作。本系統(tǒng)采用LabWindows CVI開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序。對設(shè)備的操作遵循下面的原則：首先打開設(shè)備，然后可以對設(shè)備進行讀寫、設(shè)置設(shè)備屬性等操作，最后要關(guān)閉設(shè)備。目前應(yīng)用程序設(shè)置有兩種工作模式：示波器模式和連續(xù)采集存儲模式。示波器模式每隔一定的時間間隔啟動一次采集，采用模擬電平觸發(fā)，采樣長度固定，采樣結(jié)果波形實時顯示。連續(xù)采集存儲模式啟動采集后，系統(tǒng)將采樣結(jié)果實時地存儲到數(shù)據(jù)文件中。停止采集后，應(yīng)用程序打開數(shù)據(jù)文件對采樣結(jié)果進行波形顯示、數(shù)據(jù)處理等操作。系統(tǒng)應(yīng)用程序界面如圖6所示。

4、系統(tǒng)測試結(jié)果

本文對該系統(tǒng)主要從以下四個方面進行了測試。

1)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸固定數(shù)據(jù)，如0xAA55。系統(tǒng)在連續(xù)采集存儲模式下工作，獲得數(shù)據(jù)文件。采用二進制文件編輯軟件UltraEdit查看數(shù)據(jù)文件，其中所有采樣點結(jié)果均為0xAA55。驗證了數(shù)據(jù)傳輸過程的正確性。

2)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸每次增1的數(shù)據(jù)，獲得采樣數(shù)據(jù)文件進行查看。得到采樣點結(jié)果為遞增的數(shù)據(jù)，每次增量為1。驗證了數(shù)據(jù)傳輸過程沒有丟失采樣點，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性。

3)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸AD采樣結(jié)果。系統(tǒng)工作在示波器模式下，實時查看采樣結(jié)果波形。調(diào)整輸入模擬信號幅值、頻率和波形，分別得到相應(yīng)的采樣結(jié)果波形。驗證了AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的正確性。圖6所顯示被采樣信號為250Hz正弦信號，峰峰值5V，采樣速率1MS/s。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用程序界面

4)USB接口數(shù)據(jù)傳輸速度測試。這里采用總線分析測試軟件Bus Hound測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。該軟件可以觀察USB設(shè)備的工作情況，讀取當前USB設(shè)備輸入輸出數(shù)據(jù)量的大小、數(shù)據(jù)傳輸速度和設(shè)備屬性等信息，并且在運行過程中不會對設(shè)備的工作產(chǎn)生影響。測試時首先運行Bus Hound軟件，啟動系統(tǒng)工作在連續(xù)采集存儲模式，然后可以在Bus Hound中得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。經(jīng)測試，系統(tǒng)最高數(shù)據(jù)傳輸速度為16MB/s(128Mb/s)。圖7所示為Bus Hound軟件界面和數(shù)據(jù)傳輸速度測試結(jié)果。

圖7 軟件Bus Hound的界面與速度測試結(jié)果

5、結(jié)論

本文使用嵌入式微控制器LPC2888和CPLD成功地完成了基于USB高速傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用CPLD配合GPDMA控制器實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集模塊到LPC2888內(nèi)部緩存的DMA數(shù)據(jù)傳輸，利用USB設(shè)備控制器DMA引擎配合端點批量傳輸實現(xiàn)了從緩存到計算機的DMA傳輸，并通過中斷對兩個環(huán)節(jié)進行協(xié)調(diào)實現(xiàn)了整個數(shù)據(jù)傳輸過程的DMA傳輸。經(jīng)測試，系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)傳輸速度達128Mb/s。

在USB設(shè)備驅(qū)動應(yīng)用程序的開發(fā)上，本文嘗試了一種新方法。配置NI-VISA生成驅(qū)動程序，在LabWindows CVI中進行應(yīng)用程序設(shè)計，通過VISA控制USB設(shè)備。實踐證明：使用該方法開發(fā)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不需要開發(fā)者了解驅(qū)動程序內(nèi)核，開發(fā)難度低，是一種簡單、快速開發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的好方法。

參考文獻

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