基于LabVIEW的無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

引言

通用串行總線USB(UNIversal Serial Bus)作為一種新型的數(shù)據(jù)通信技術，具有即插即用、支持熱插撥、易于擴展、傳輸速度快、性價比高等優(yōu)點;短距離無線通信技術是未來計算機和外設間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它具有分布靈活、使用簡單、幾乎不受空間條件限制等特點。USB緊跟通信技術的無線化趨勢，2004年，惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子等多家大公司成立了WUSB(WirelessUSB)的促進聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡單，實現(xiàn)無線化。Cypress公司推出了低成本的芯片級遠距離2.4 GHz射頻系統(tǒng)一一WirelessUSBLR方案，與ZigBee和藍牙等復雜且昂貴的無線網(wǎng)絡方案相比，WirelessUSBLR憑借其出色的遠程無線通信能力和低廉的系統(tǒng)成本，將無線系統(tǒng)的應用擴展到建筑、家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療檢測、傳呼系統(tǒng)和顯示設備等領域。所以說，如果將無線和USB完美結合，在保證數(shù)據(jù)采集速率的前提下，可以使得數(shù)據(jù)傳輸更加方便，與PC接口也更加簡單。

通常開發(fā)USB系統(tǒng)時，先用Windows DDK(設備驅動程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如Driver Studio)開發(fā)USB驅動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(tài)連接庫)，最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應用程序，這對不熟悉Win—dows編程的人有一定的難度;而USB應用程序也大都是使用 Visual C++來編寫的，過程繁瑣，調(diào)試麻煩，花費的時間也比較長。

美國國家儀器NI(National Instlrument)公司開發(fā)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)語言是一種基于圖形程序的編程語言，含有豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及控制等子程序，易于調(diào)試和維護，且程序編程簡單、直觀?？梢灾苯釉贚abVIEW環(huán)境下通過NI一VISA(Virtual Instlrument Software Architecture，以下簡稱為“VISA”)開發(fā)驅動程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅動程序的復雜性，大大縮短了開發(fā)周期。用它來開發(fā)應用程序，把采集來的數(shù)據(jù)傳送到主機上，再通過LabVIEW的模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析和存儲。

本設計將利用Cypress公司的CYWUSB6935來實現(xiàn)無線USB的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過LabVIEW來簡化開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期。

1無線USB與LabVIEW概述

1.1無線USB和CYWUSB6935芯片

無線USB技術是一個全新的通信標準。它通過USB接口和最先進的無線通信技術擴展了設備之間的連通性，最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴格受控于高斯單周期超短時脈沖;具有傳輸速度快、功耗小、移植方便、安全性高等優(yōu)點;最大的特點是傳輸速率高，3 m距離的最大傳輸速率達480 Mbps，其性能與現(xiàn)有的USB2.O相同。雖然在傳輸距離上，WUSB性能沒有達到USB2.0所規(guī)定的最長5 m的距離，但對置于計算機周圍的設備來說，3 m的距離已經(jīng)足夠了。一般情況下，通信距離越長，速率越慢;因此WUSB規(guī)定10 m的傳輸速率為110 Mbps。10 m足以覆蓋當前家庭的居室，此距離的速率已經(jīng)超過了目前的WLAN。

無線USB和有線USB2.0一樣，它也能處理4種傳輸形式，即控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸。主機和無線USB設備合稱WUSB集群，采用星型拓撲，不需要WUSB集線器，WUSB主機能直接連接多達127個設備。主機支持8種數(shù)據(jù)速率：53.3 Mbps、80 Mbps、106.7Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480Mbps。設備必須支持3種數(shù)據(jù)速率53.3 Mbps、106.7Mbps、200 Mbps，其他5種為可選數(shù)據(jù)率。

針對無線傳輸的現(xiàn)狀，Cypress公司推出了低成本、高集成度的芯片CYWUSB6935，CYWUSB6935芯片結構框圖如圖1所示。

CYWUSB6935內(nèi)部集成了串行數(shù)據(jù)接口(SPI)、串并/并串轉換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2.4 GHz的射頻收發(fā)器;采用高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)器(GFSKModem)和直接順序擴展頻譜(DSSS)數(shù)字基帶模塊;用戶可以通過控制信號靈活地設置射頻和數(shù)字基帶部分。為了進一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個擴頻編碼調(diào)制到78個1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶提供3 822個獨立的頻道，讓每個主系統(tǒng)能夠連接多組外圍設備，且通信距離可達到50 m或更遠。

WUSB6935有4種工作模式：64 chips/bit單通道、32chips/bit雙通道、32 chips/bit單通道雙倍采樣和32chips/bit單通道雙倍數(shù)據(jù)速率。該系統(tǒng)選用32 chips/bit單通道雙倍采樣。模式選擇通過配置REG—DATA—RATE(0X04)來實現(xiàn)。接收和發(fā)射均采用中斷的方式。中斷的方式有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個IRQ引腳。配置REG(0XOD)使得發(fā)射中斷使能，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(0XOF)，數(shù)據(jù)便通過RFOUT引腳發(fā)送出去。接收中斷使能寄存器為REG(0X07)，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器REG(0X08)可以確定中斷類型，然后從相應的數(shù)據(jù)接收寄存器中獲得相應通道的數(shù)據(jù)。

1.2LabVIEW和NI VISA

LabVIEW是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言，廣泛應用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號處理以及數(shù)據(jù)表達等方面，它提供了一種全新的編程方法，即對軟件對象“虛擬儀器(VI)”進行圖形化的組合操作。LabVIEW程序的執(zhí)行順序是按數(shù)據(jù)流的方式確定的，可以實現(xiàn)多任務的并行。用戶通過創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，而且程序簡單、直觀。

LabVIEW的應用程序，即虛擬儀器(VI)，包括3部分：前面板(front panel)，是LabVIEW程序的圖形用戶界面，用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，相當于傳統(tǒng)儀器的面板;框圖程序(block diagram)，提供VI的圖形化源程序，是利用圖形語言編程控制和定義在前面板上的輸入和輸出功能;圖標/連結器(icon/connector)，用于把Lab—VIEW程序定義成一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程。

NI—VISA也是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用編程接口(API)。VISA總線I/0軟件是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進行配置、編程和調(diào)試。本文介紹的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用它開發(fā)USB驅動，大大簡化了開發(fā)過程。

2無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計

該無線USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構成如圖2所示。

2.1系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)使用了128引腳的CY7C68013單片機以及CYWUSB6935射頻模塊，其硬件設計框圖如圖3所示。

CY7C68013是Cypress公司的EZ—USBFX2系列芯片。其芯片固件存儲在主機上而不是在芯片內(nèi)部，顯著特點是代碼升級容易。該系列芯片集成了USB2.O收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、帶 8.5 KB片上RAM的增強型8051、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I/0口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。CYWUSB6935的SPI四個引腳(MOSI、MISO、SS、 SCK)支持兩種傳輸模式——單字節(jié)模式和序列多字節(jié)模式。為了提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用序列多字節(jié)模式。

2.2系統(tǒng)軟件設計

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設計分為3部分：設備固件程序、驅動程序以及應用程序，如圖4所示。

設備固件(firmware)程序在主機上調(diào)試編譯完后，枚舉時下載到RAM內(nèi)，它使得USB接口芯片與主機和外設中的其他電路能夠通信，因此固件程序包括響應主機要求部分和控制外設部分。利用Cypress公司提供的固件框架來開發(fā)固件，可以簡化固件開發(fā)過程。

驅動程序是LabVIEW與USB接口的驅動程序，應用程序通過驅動程序與系統(tǒng)USBI(USBDevice Interface)進行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作;固件響應各種來自系統(tǒng)的USB標準請求，完成數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。

2.2.1 設備固件程序設計

Cypress公司提供了固件框架來開發(fā)框架，在Keil C51下開發(fā)，該框架主要由以下幾部分組成：

①FW.C中包含程序框架的MAIN函數(shù)，由于Cy—press公司已經(jīng)精心劃分了這部分的功能，所以一般不用改動。

②PERIPH.C是用戶函數(shù)掛鉤的相關定義，這部分需要根據(jù)自己系統(tǒng)的需要實例化這個文件，以實現(xiàn)特定的功能。

③TD_Init函數(shù)是在設備重枚舉和任務調(diào)度啟用之前調(diào)用，用來初始化用戶的全局狀態(tài)變量，并負責對USB端點進行初始化設置。在本設計中將端點2設置為1 024個字節(jié)，4重緩沖，自動輸入模式。

④TD_Poll函數(shù)是系統(tǒng)中循環(huán)任務的處理函數(shù)，主要負責對各個端點的狀態(tài)進行查詢，處理各種IN和0UT端點的交互。

⑤Ezusb.lib和USBJmpTb.OBJ分別為EZUSB函數(shù)庫的二進制文件和USB的中斷向量表。

⑥DSCR.a51是描述符文件，包括標準設備描述符、類描述符和用戶指定的描述符。

2.2.2LabVIEW中調(diào)用VISA

當進行USB通信時，VISA提供了兩類函數(shù)供Lab—VIEW調(diào)用：USBINSTR設備與USBRAW設備。USBINSTR設備是符合USBTMC協(xié)議的USB設備，可以通過使用USBINSTR類函數(shù)控制，通信時無需配置VISA;而USBRAW設備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設備，通信時要配置VISA。該系統(tǒng)是USBRAW設備，故需要配置VISA。配置VISA的步驟如下：

①使用Driver Development wizard(驅動程序開發(fā)向導)創(chuàng)建INF文檔。打開VISA Driver Developer Wizard，然后選擇USB，進入VISA DDW基本設備信息窗口(在這一步確認USB設備的供應商ID和產(chǎn)品ID)，接下來填寫USB儀器前綴，用來識別本設備所用的相關文檔，這時INF文檔就被保存到指定的位置。

②安裝INF文檔及使用INF文檔的USB設備。

③使用VISA Interactive Control(VISA互動控制工具)對設備進行測試，以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。

USB設備安裝完畢后，就可以與VISA進行簡單的通信。VISA支持3種類型的USB管道：控制、批量和中斷。VISA探測到USB儀器時，會對儀器進行自動掃描，尋找各種類型的最低可用端點。VISA探測到最低可用端點后，即將該值賦予適當?shù)腣ISA屬性。bulk in端點和bulk out端點分別存儲在VI_ATTR_USB_BULK_IN_PIPE屬性和VI_ATTR_USB_BULK_OUT_PIPE屬性之中。 interrupt in端點存放在VI_ATTR_USB_INTR_IN_PIPE屬性之中。如果值為一1，則表示USB設備不支持這種類型的管道。對于控制型管道，只有端點O才受到支持。在LabVIEW中，應使用“Write VISA Property(寫入VISA屬性)”節(jié)點。VI-SA有4種通過USB管道傳輸數(shù)據(jù)的功能。在能夠使用這些功能與設備進行通信之前，還需要使用 VISAUSB屬性建立通信協(xié)議。使用VISAUSBContro1 In和VISAUSBContro1 0ut來控制管道傳輸數(shù)據(jù)，并用此來獲得USBRAW設備的各種描述符。另外使用VISA Read和VISAWrite選擇批量管道來傳輸目標數(shù)據(jù)。通過上述方法成功實現(xiàn)了LabVIEW與USB驅動程序的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了以LabVIEW為平臺的無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

結語

實驗證明，采用無線USB系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將USB接口和短距離無線通信的優(yōu)點有機地結合起來，不僅能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸率，而且改變了數(shù)據(jù)的傳輸方式，由傳統(tǒng)的有線傳輸改為無線傳輸，使傳輸系統(tǒng)更加方便、可靠、高速。除此之外，無線USB憑借其完美的性能和低廉的成本，可以滿足無線領域中非網(wǎng)絡端的需求，將成為未來無線通信的主流。采用基于NI—VISA驅動USB接口和LabVIEW開發(fā)應用程序的設計方法，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)時間，使得該系統(tǒng)性價比較高，通用性較好。隨著USB技術和短距離無線通信的進一步發(fā)展，WUSB會表現(xiàn)出更好的性能，應用范圍將日趨廣泛。集成了無線USB接口和LabVIEW語言的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，易于開發(fā)、數(shù)據(jù)處理簡單。