基于USB總線的虛擬儀器技術(shù)

摘 要：本文介紹了基于USB總線的虛擬儀器技術(shù)在水下航行器動(dòng)力裝置測(cè)試中的應(yīng)用情況。以PC機(jī)為主控單元、USB總線為接口、Labview為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)充分利用了USB的新特性，提高了測(cè)試系統(tǒng)的整體性能。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；USB； Labview；測(cè)試系統(tǒng)；DLL

序言
在水下航行器的動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試參數(shù)種類(lèi)繁多，測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，存在強(qiáng)的噪聲干擾，并且，由于測(cè)試的目的不同，要出現(xiàn)不同的組合測(cè)試，所以要求測(cè)試系統(tǒng)具有較好的組態(tài)性能和易維護(hù)性。然而，傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、功能單一、靈活性差。如果將虛擬儀器技術(shù)引入到水下航行器的動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)中，特別是引入基于USB總線的虛擬儀器技術(shù), 不但可以滿足動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)的要求，而且可以實(shí)現(xiàn)所建立的測(cè)控系統(tǒng)具有開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性、互換性和互操作性以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化等優(yōu)勢(shì)。另外，還具有節(jié)省硬件數(shù)量及成本、節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)與提高可靠性等特點(diǎn)。

硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
水下航行器動(dòng)力裝置研究中要進(jìn)行很多參數(shù)的測(cè)試，其中包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、扭矩等，未來(lái)的研究還會(huì)涉及到噪聲、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)試。不同的參數(shù)其測(cè)量方法不盡相同，本文所詳述的測(cè)試系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。下面將重點(diǎn)介紹基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡的硬件和軟件設(shè)計(jì)。
USB數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)
鑒于USB協(xié)議的復(fù)雜性(需要編寫(xiě)大量的固件代碼)，基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡的控制芯片采用AT89C55WD(自帶20K的程序存儲(chǔ)器，足以滿足需要)。采集卡的ADC采用8位的ADC08909。USB接口芯片采用Philips公司的PDIUSBD12，該芯片采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通訊時(shí)使LED閃爍，這種技術(shù)對(duì)于USB接口調(diào)試十分有用。PDIUSBD12與AT89C55WD、ADC0809的接口電路如圖2所示。PDIUSBD12和AT89C55WD采用總線方式連接，通過(guò)中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

軟件設(shè)計(jì)
這里只介紹與USB數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)固件程序、采集卡驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)、用戶(hù)應(yīng)用程序。
單片機(jī)固件程序設(shè)計(jì)
固件程序主要完成兩個(gè)方面的工作：ADC采樣服務(wù)和PDIUSBD12同主機(jī)的通訊。程序采用積木式結(jié)構(gòu)，各模塊程序分工如下：    
*硬件提取層：對(duì)單片機(jī)的I/O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口進(jìn)行操作；
* PDIUSBD12命令接口：指對(duì)PDIUSBD12器件進(jìn)行操作的模塊子程序集；
*中斷服務(wù)程序：當(dāng)PDIUSBD12向AT89C55WD發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，設(shè)定事件標(biāo)志位和Setup包數(shù)據(jù)緩存區(qū)并傳輸給主程序；
*標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序：對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求進(jìn)行處理；
* 廠商請(qǐng)求處理程序：對(duì)USB的廠商請(qǐng)求進(jìn)行處理；
*主循環(huán)程序：發(fā)送USB請(qǐng)求、處理USB總線事件和對(duì)用戶(hù)功能進(jìn)行處理。
固件程序的主循環(huán)框圖如圖3所示。
數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)目標(biāo)是編寫(xiě)在Windows2000下使用的驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM的，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具是Microsoft公司的Windows 2000DDK,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能使開(kāi)發(fā)者對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)模型有較為深入的理解，使得開(kāi)發(fā)過(guò)程更為靈活。但是對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)工作量、難度都較大，因此一些公司紛紛推出了諸如DriverWorks、Driver Winzard等驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具，這些工具的特點(diǎn)是只需添入少量的代碼，就可自動(dòng)生成相對(duì)完善的驅(qū)動(dòng)程序，但是缺乏靈活性。本設(shè)計(jì)中開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序采用的是前一種傳統(tǒng)方法，在Visual C++工程環(huán)境下編寫(xiě)源代碼，然后在Windows 2000DDK環(huán)境下編譯成sys驅(qū)動(dòng)文件，最后編寫(xiě)安裝信息文件，具體過(guò)程較為復(fù)雜，在此不再詳述。
DLL程序設(shè)計(jì)
所謂DLL就是一個(gè)包含了若干函數(shù)的可執(zhí)行模塊。其作用是通過(guò)DMA的方式讀取存儲(chǔ)在PDIUSBD12 FIFO中的采樣數(shù)據(jù)，并把它們存儲(chǔ)在開(kāi)辟的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，以供用戶(hù)應(yīng)用程序調(diào)用。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是允許若干個(gè)應(yīng)用程序共享某個(gè)函數(shù)的單個(gè)副本，實(shí)現(xiàn)了代碼數(shù)據(jù)、硬件資源等的共享。
由于在Win32系統(tǒng)中，每個(gè)設(shè)備都抽象成文件，DLL只需通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的文件操作API(應(yīng)用程序接口)函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備通訊，因此編寫(xiě)DLL時(shí)應(yīng)充分應(yīng)用API函數(shù)。本設(shè)計(jì)中用到的API函數(shù)主要有：open_file( )、open_dev( )、DeviceIoControl ( )和ReadFile( )。DLL在Visual C++中的Win32 Dynamic-Link Library開(kāi)發(fā)模板下編寫(xiě)，由于用戶(hù)應(yīng)用程序采用Labview編寫(xiě)，因此還需將Labview.lib庫(kù)文件添加到開(kāi)發(fā)模板中，這樣才能編譯生成正確的DLL文件。
用戶(hù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
用戶(hù)應(yīng)用程序?qū)⒉捎肗I公司的Labview7.0編寫(xiě)。Labview中DLL的調(diào)用是通過(guò)CLF(Call Library Function)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，在使用之前需要對(duì)它進(jìn)行配置，配置完成后，CLF節(jié)點(diǎn)的函數(shù)原型為：char UsbRead (char dbfsize, unsigned char *code, char *databuf)，dbfsize為所讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；*code為返回的錯(cuò)誤代碼指針(為了調(diào)試方便)；*databuf為所讀取的數(shù)據(jù)指針。需要注意的是在調(diào)用DLL之前，Labview程序中需要對(duì)*databuf賦初值，否則Labview程序運(yùn)行會(huì)發(fā)生意想不到的錯(cuò)誤。因?yàn)樵贚abview中是不會(huì)自動(dòng)給*databuf開(kāi)辟內(nèi)存的。
使用NI公司的DataSocket技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，用戶(hù)應(yīng)用程序就可以實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)向多個(gè)遠(yuǎn)程終端同時(shí)廣播現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。同樣，使用WebPublish技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，用戶(hù)可以在本地或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上瀏覽和控制用戶(hù)應(yīng)用程序的控制面板。這樣網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控平臺(tái)的雛形就基本建立起來(lái)了，這也是本設(shè)計(jì)在編制用戶(hù)應(yīng)用程序時(shí)，為何選用Labview7.0的重要原因。

結(jié)語(yǔ)
通過(guò)本設(shè)計(jì)，可以看出USB總線同Labview開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)的結(jié)合具有廣闊的發(fā)展前景，但是這次設(shè)計(jì)由于所選擇USB接口芯片的限制，傳輸速度難以提高(通過(guò)測(cè)試，速度從未大于1M/s)，使得它在高頻、實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合難有用武之地。通過(guò)選用支持USB2.0協(xié)議的接口芯片(速度可達(dá)480M/s)來(lái)提高速度，是本設(shè)計(jì)值得改進(jìn)的一個(gè)方面。■

參考文獻(xiàn)
1 Intel, Microsoft, IBM, etc. USB Specification 1.1. 2002
2 Chris Cant Windows WDM 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)指南. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.10
3 楊樂(lè)平，李海濤，勇楊等. labview高級(jí)程序設(shè)計(jì). 北京：清華大學(xué)出版社，2002.10