一種USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀快速設(shè)計模板
摘要:為了快速開發(fā)性價比高的基于USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀,采用了NI-VISA和CH372芯片的方案搭建一個通用的模板,并以一個溫度信號的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器的實例加以說明。實驗表明該模板降低了USB通信的復(fù)雜度,縮短了開發(fā)周期。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/309045.htm關(guān)鍵詞:USB;數(shù)據(jù)采集;虛擬儀器;NI-VISA;CH372
引言
構(gòu)建USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器常有如下方案:
①采用NI公司的USB數(shù)據(jù)采集模塊。該方案的特點是方便使用,但成本相對高。②采用非NI公司的USB數(shù)據(jù)采集模塊。通過調(diào)用廠商提供的二次開發(fā)包里面的動態(tài)鏈接庫,驅(qū)動數(shù)據(jù)采集。該方案比方案①成本低,但應(yīng)用相對復(fù)雜。③采用數(shù)據(jù)采集器件+單片機(jī)+USB接口器件。
參考文獻(xiàn)通過涮用動態(tài)鏈接庫模塊來實現(xiàn)驅(qū)動設(shè)計。參考文獻(xiàn)通過NI-VISA方案來實現(xiàn)驅(qū)動設(shè)計,比參考文獻(xiàn)采用的方法方便易用。綜合比較,方案③從成本和開發(fā)速度上都具有很高的性價比。
本文旨在方案③的基礎(chǔ)上,搭建一個通用的模板。開發(fā)者只要在該模板的基礎(chǔ)上就可以快速開發(fā)性價比高的基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文采用了NI-VISA和CH372 USB芯片的方案,并以一個溫度信號的虛擬數(shù)據(jù)采集儀器的實例加以說明。
1 CH372及其外圍電路
CH372是南京沁恒生產(chǎn)的一款USB總線芯片,它提供8位數(shù)據(jù)線及讀、寫、片選、中斷線各一條,內(nèi)置USB通信底層協(xié)議,具有方便、簡單的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。內(nèi)置固件模式下,芯片自動處理端點0的所有事務(wù),本地單片機(jī)只需要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)交換即可,程序簡潔、簡單;外置固件模式下,由本地單片機(jī)負(fù)責(zé)處理各種USB請求,可以靈活地實現(xiàn)符合USB規(guī)范的設(shè)備。
圖1是CH372的外圍電路。D0~D7為芯片的數(shù)據(jù)I/O口,與STC89C52RC單片機(jī)的P0~P7相連;INT與單片機(jī)的P3.2相連;CS與單片機(jī)的P3.3相連;RD與單片機(jī)的P3.4相連;WR與單片機(jī)的P3.5相連;A0與單片機(jī)的P3.7相連。單片機(jī)采用的是11.059 2 MHz晶振。溫度傳感器采用DS18B20,它的數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的P2.2口。
2 單片機(jī)軟件設(shè)計
CH372芯片專門用于處理USB通信,在接收到數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后,CH372以中斷方式通知單片機(jī)進(jìn)行處理。
單片機(jī)通過CH372芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下:
①當(dāng)CH372接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后,首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū),防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋,然后將INT引腳設(shè)置為低電平,向單片機(jī)請求中斷;
②單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,首先執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài);
③CH372在GET_STATus命令完成后將INT引腳恢復(fù)為高電平,取消中斷請求;
④由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”,所以單片機(jī)執(zhí)行RD_USB_DATA命令從CH372讀取接收到的數(shù)據(jù);
⑤CH372在RD_USB_DATA命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū),從而可以繼續(xù)USB通信;
⑥單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序。
單片機(jī)通過CH372芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下:
①單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù);
②CH372被動地等待USB主機(jī)在需要時取走數(shù)據(jù);
③當(dāng)USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)后,CH372首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū),防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù),然后將INT引腳設(shè)置為低電平,向單片機(jī)請求中斷;
④單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序,首先執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài);
⑤CH372在GET_STATUS命令完成后將INT引腳恢復(fù)為高電平,取消中斷請求;
⑥由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”,所以單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù),如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送,那么單片機(jī)不必執(zhí)行WR_USB_DATA命令;
⑦單片機(jī)執(zhí)行UNLOCK_USB命令;
⑧CH372在UNLOCK_USB命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū),從而可以繼續(xù)USB通信;
⑨單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序;
⑩如果單片機(jī)已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù),那么轉(zhuǎn)到步驟②,否則結(jié)束。
在內(nèi)置固件模式的USB設(shè)備方式下,單片機(jī)只需要處理6種中斷狀態(tài)。為了進(jìn)一步簡化USB通信,在本文的模板中只讓CH372處理如表1所列的兩種中斷狀態(tài)。
根據(jù)表1所列的兩種中斷狀態(tài)相關(guān)的讀寫操作指令如表2所列。
本文對CH372的底層驅(qū)動進(jìn)行了高度的封裝,只提供一個接口給應(yīng)用層,接口函數(shù)如表3所列。
從通用的角度考慮,本文對應(yīng)用層的功能模塊劃分如下:
①USB設(shè)備初始化模塊。實現(xiàn)設(shè)置USB設(shè)備的廠商VID和產(chǎn)品PID,工作模式為內(nèi)置固件模式,具體代碼如下:
④中斷服務(wù)模塊。兩種中斷狀態(tài)分別是端點2的OUT事務(wù)和端點2的IN事務(wù)。IN事務(wù)中斷表示上位機(jī)已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的接收,下一步讓單片機(jī)做什么就是中斷服務(wù)的內(nèi)容。OUT事務(wù)中斷表示USB設(shè)備端已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的接收,下一步讓單片機(jī)端做什么就是中斷服務(wù)的內(nèi)容。中斷服務(wù)模塊的偽代碼如下:
本文給出的實例是當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過來的“開始溫度采集”信號后,開始不斷啟動溫度的采集和往上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù),直到收到上位機(jī)發(fā)送過來的“停止溫度采集”信號。本實例單片機(jī)端的主程序偽代碼如下:
在“中斷服務(wù)模塊”代碼中的端點2的OUT事務(wù)部分,讀取上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù),從該數(shù)據(jù)中獲取信息,刷新“開始溫度采集”的標(biāo)志,然后退出中斷。在單片機(jī)主程序里面可以根據(jù)對該標(biāo)志的判斷來決定開始采集溫度還是暫停采集溫度。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計
上位機(jī)的USB設(shè)備的驅(qū)動編寫采用的是NI-VISA圖形化的方法進(jìn)行設(shè)置,詳細(xì)步驟見參考文獻(xiàn)。驅(qū)動編寫后,接下來就是采用LabVIEW 2012編寫上位機(jī)程序,上位機(jī)的運行界面如圖2所示。
其關(guān)鍵程序代碼如下:
①打開USB資源。該部分代碼如圖3所示。其中關(guān)鍵函數(shù)是圖3中所示的“VISA打開”函數(shù)。
②點擊運行界面上的“開始采集溫度”按鈕。實現(xiàn)上位機(jī)往CH372設(shè)備發(fā)送一個字符“1”。CH372設(shè)備接收后,觸發(fā)單片機(jī)中斷服務(wù)讀取該字符。讀取該字符后,刷新“開始采集溫度”的標(biāo)志。在單片機(jī)的主程序中,根據(jù)該標(biāo)志啟動溫度采集和往上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。因此,上位機(jī)程序中必須含有往CH372設(shè)備寫發(fā)送數(shù)據(jù)的操作和讀來自CH372設(shè)備數(shù)據(jù)的操作,該部分代碼如圖4所示。其中的關(guān)鍵函數(shù)是圖4所示的“VISA寫入”函數(shù)和“VISA讀取”函數(shù)。
結(jié)語
該模板采用CH372芯片的內(nèi)置同件模式,屏蔽了USB通信的底層細(xì)節(jié),大大降低了USB通信的復(fù)雜度。同時對CH372的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝,提供相應(yīng)接口給應(yīng)用層,開發(fā)者的設(shè)計只局限在應(yīng)用層,大大降低了開發(fā)時間和難度。采用NI-VISA的圖形化配置的方法快速開發(fā)了USB設(shè)備的驅(qū)動,采用LabVIEW里面提供的函數(shù)方便實現(xiàn)USB設(shè)備打開和讀寫操作。因此,該模板能實現(xiàn)USB接口的虛擬數(shù)據(jù)采集儀的快速設(shè)計。
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