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數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域。目前，有各種數(shù)據(jù)采集卡或采集系統(tǒng)可供選擇，但由于數(shù)據(jù)源以及用戶需求的多樣性，有時(shí)并不能滿足要求。特別是在某些應(yīng)用中，需要同時(shí)高速采集多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，而且為了分析比較各通道信號(hào)間的相互關(guān)系，常常要求所有通道的采集必須同步。目前常用的數(shù)據(jù)采集卡是具有ISA總線、PCI總線等接口形式的A/D采集卡，雖然數(shù)據(jù)傳輸率很高，但是還存在整個(gè)系統(tǒng)笨重，缺乏靈活性，不能實(shí)現(xiàn)即插即用，不適合小型、便攜設(shè)備應(yīng)用等缺點(diǎn)。通用串行總線(USB)是為了解決日益增加的PC機(jī)外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。USB不僅具有快速的傳輸性能，而且USB協(xié)議本身具有其糾錯(cuò)能力，它的即插即用模式和易擴(kuò)展性能都具有很強(qiáng)的發(fā)展前途和應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ISP1581的高速USB多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)最高采樣率每通道可達(dá)500 K字，并且具有增益控制調(diào)節(jié)、外觸發(fā)同步采集等功能,目前該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某水下定位系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)硬件組成 如圖1所示，系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D采集模塊、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊三個(gè)部分組成。 1.1 信號(hào)調(diào)理電路模塊 由于從傳感器進(jìn)來的信號(hào)一般都比較小(大約在微伏量級(jí))，A/D無法直接對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集，需要通過信號(hào)調(diào)理電路模塊對(duì)其進(jìn)行放大，以滿足A/D采集的量程范圍。另外,由于信號(hào)容易受到外界噪聲以及電噪聲的干擾，通過信號(hào)調(diào)理電路所具有的濾波功能，可以濾除信號(hào)頻帶外的噪聲。 1.2 A/D采集模塊 A/D采集模塊由1片FPGA和2片A/D組成，完成4路信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的是AD7655芯片。AD7655是一款高速、低功耗4通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用5 V單電源供電，模擬輸入信號(hào)范圍為0 V~5 V;高輸入阻抗，可對(duì)4路模擬輸入同時(shí)高速采樣并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，采樣速率最高可達(dá)1 MS/s，支持并行或串行接口。由于本采集系統(tǒng)要求對(duì)各路信號(hào)的相位嚴(yán)格一致，而AD7655只能同時(shí)對(duì)4個(gè)通道中的2路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，因此，1片A/D僅連接了2路模擬信號(hào)。另外,為了保證所有通道信號(hào)的相位一致性，2片A/D需要使用同一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換的進(jìn)行，故在電路連接時(shí)，把每個(gè)A/D芯片的轉(zhuǎn)換信號(hào)(CNVST)管腳連接在一起，然后連接到FPGA上的轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出管腳上，由FPGA輸出的轉(zhuǎn)換信號(hào)驅(qū)動(dòng)。FPGA與A/D之間的數(shù)據(jù)讀取采用總線的方式，將每一片A/D的讀控制信號(hào)都獨(dú)立連接到FPGA上，由FPGA控制各路采樣數(shù)據(jù)的讀取。采集電路連接如圖2所示。 1.3 USB數(shù)據(jù)傳輸模塊 USB數(shù)據(jù)傳輸模塊是本系統(tǒng)的核心。要開發(fā)USB功能設(shè)備，首先需要對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行全面了解，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸類型、所需要的硬件資源等。在充分了解設(shè)計(jì)的產(chǎn)品后，要選擇合適的USB接口芯片，如果選擇得好，可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。 USB接口芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器，能自動(dòng)對(duì)各種USB事件作出響應(yīng)，以處理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸。所有的主機(jī)和設(shè)備上都至少含有1塊實(shí)現(xiàn)其功能的USB接口芯片。按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，USB接口芯片有如下幾種分類方式，以功能分類則可以分為：主控制器芯片、集線器芯片、功能設(shè)備芯片；以使用方式進(jìn)行分類則可以分為：帶USB接口的專用MCU、帶USB接口的通用MCU、純粹的USB接口芯片。 本設(shè)計(jì)中選用了Philips公司的USB2.0接口芯片ISP1581，該芯片屬于純粹的USB接口芯片。這類USB接口芯片價(jià)格較低，接口方便，靈活性高，針對(duì)不同的硬件環(huán)境可以配合多種MCU使用，如單片機(jī)、DSP、FPGA[3-4]。ISP1581支持2種工作模式：通用處理器模式和斷開總線模式。本設(shè)計(jì)中采用DSP來控制ISP1581，連接方式選用通用處理器模式，原理圖如圖3所示。 2 USB接口軟件開發(fā) 軟件分為USB固件程序開發(fā)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)兩大部分。 2.1 USB固件程序開發(fā) 所有基于微處理器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開固件的參與，固件的作用就是輔助硬件,即控制硬件來完成預(yù)期的功能，如沒有固件的參與和控制，硬件設(shè)備只是芯片簡單的堆砌，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能,如同一臺(tái)沒有安裝操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，無法正常工作。因此，用戶必須編寫固件程序來輔助硬件完成USB通信任務(wù)。具體如下： (1)初始化。主要是設(shè)置一些特殊寄存器的初值，以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備屬性或功能，例如開中斷、使能端點(diǎn)、配置端口等。 (2)輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉（ReNumeration）過程。包括模擬設(shè)備的斷開與重新連接，對(duì)收到的設(shè)置包進(jìn)行分析判斷，從而對(duì)主設(shè)備請(qǐng)求做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，完成對(duì)設(shè)備的配置任務(wù)。 (3)對(duì)中斷的處理。 (4)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。 (5)外圍電路的控制。 固件程序設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)模式，采用模塊化設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。 各模塊的主要功能如下： (1)主程序：完成DSP及USB接口芯片的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收標(biāo)志位的判斷及中斷請(qǐng)求等待。 (2)中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序是整個(gè)固件程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先通過讀取ISP1581中斷寄存器的值判斷所發(fā)生中斷的類型，然后根據(jù)具體的中斷類型進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序或設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。中斷服務(wù)程序中需要處理的有總線復(fù)位中斷、高速狀態(tài)變化中斷、SETUP中斷及端點(diǎn)的IN/OUT中斷。在所有的中斷處理程序中,EP0SETUP中斷處理是最重要的,它是USB設(shè)備與PC機(jī)間建立通信鏈路的基礎(chǔ)。 (3)請(qǐng)求處理程序：USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序負(fù)責(zé)處理枚舉階段主機(jī)發(fā)給設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，以及正常工作時(shí)主機(jī)發(fā)送的廠商請(qǐng)求。USB2.0協(xié)議中規(guī)定了11種USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，對(duì)這11種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求作出正確的響應(yīng)是設(shè)備成功枚舉的重中之重。當(dāng)固件接收到第1個(gè)SETUP中斷后，就進(jìn)入U(xiǎn)SB枚舉過程，其過程是由主機(jī)發(fā)出一系列USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求并要求及時(shí)得到設(shè)備響應(yīng)，如果不需要進(jìn)行操作，也必須指示一個(gè)空響應(yīng)，使主機(jī)能為該設(shè)備準(zhǔn)備其所請(qǐng)求的資源，建立好兩者之間的信息溝通機(jī)制。 (4)數(shù)據(jù)接收/發(fā)送程序：當(dāng)用戶通過主機(jī)端應(yīng)用程序向設(shè)備索要數(shù)據(jù)或向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DSP調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程如下： 發(fā)送數(shù)據(jù)：選擇端點(diǎn)索引→寫發(fā)送緩沖區(qū)長度寄存器→寫發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)端口寄存器→等待發(fā)送完畢標(biāo)志。 接收數(shù)據(jù)：選擇端點(diǎn)索引→讀接收緩沖區(qū)長度寄存器→從數(shù)據(jù)端口寄存器讀取接收到的數(shù)據(jù)。 (5)硬件接口訪問程序：硬件接口程序負(fù)責(zé)完成DSP對(duì)ISP1581的讀寫操作，它是整個(gè)固件程序中最底層也是使用最頻繁的部分，在這里主要定義了2種類型的函數(shù)：ISP1581常用寄存器訪問函數(shù)和數(shù)據(jù)端口寄存器訪問函數(shù)。 常用寄存器訪問函數(shù)： void outport(unsigned int *reg_addr, unsigned short value)； unsigned short inport(unsigned int *reg_addr)； 數(shù)據(jù)端口寄存器訪問函數(shù)： void write_ep(unsigned short *addr, unsigned short size)； unsigned short read_ep(unsigned short *addr)； write_ep為寫端點(diǎn)發(fā)送緩沖區(qū)函數(shù)，其中參數(shù)*addr為指向待發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址指針，參數(shù)size為要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；read_ep為讀端點(diǎn)接收緩沖區(qū)函數(shù)，參數(shù)含義與write_ep函數(shù)相同，返回值為接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 2.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) Windows環(huán)境下驅(qū)動(dòng)程序有3種模型：VxD模型、KMD模型、WDM模型。WDM模型是微軟力推的全新驅(qū)動(dòng)程序模型，現(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)都是采用基于WDM模型的驅(qū)動(dòng)程序，因此本采集系統(tǒng)也采用WDM驅(qū)動(dòng)程序模型來開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。 對(duì)于USB設(shè)備，其WDM驅(qū)動(dòng)程序分為USB底層（總線）驅(qū)動(dòng)程序和USB功能（設(shè)備）驅(qū)動(dòng)程序。USB底層驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道，實(shí)現(xiàn)底層通信。USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，不對(duì)實(shí)際的硬件進(jìn)行操作，而是通過向USB底層驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含請(qǐng)求塊URB（USB Request Block）的IRP，以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。 目前，WDM驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具有3種：Microsoft公司的DDK、Numega公司的DriverStudio和Jungo公司的WinDriver。其中，DDK的開發(fā)難度較大，開發(fā)者需要對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)和WDM規(guī)范有很好的理解和把握，還要熟悉上千個(gè)DDK函數(shù)的功能和使用場合，且測試流程繁瑣；DriverStudio的開發(fā)難度低一些，它將DDK函數(shù)按照邏輯功能進(jìn)行組織，把很多常用功能封裝成類，建立了一個(gè)基于C++語言的面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境，開發(fā)者面對(duì)的不再是上千個(gè)復(fù)雜凌亂的DDK函數(shù)，而是邏輯清晰的類庫；WinDriver的開發(fā)幾乎沒有難度，開發(fā)者所編寫的只是定制和調(diào)用它提供的通用驅(qū)動(dòng)，開發(fā)周期較短，特別適合于驅(qū)動(dòng)程序初學(xué)者使用。 利用WinDriver開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，有2種方法： (1)用Wizard自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序的框架代碼，根據(jù)實(shí)際要求修改代碼，加入定制的功能，再在用戶態(tài)執(zhí)行和調(diào)試代碼，并將性能要求苛刻的部分插入到核心態(tài)，從而完成整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的編寫。在使用這種方法時(shí)，WinDriver已經(jīng)完成了驅(qū)動(dòng)程序編寫的大部分工作，減少了工作量，使編寫驅(qū)動(dòng)成為相對(duì)較簡單。但此方法生成的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其通用性和可移植性較差； (2)完全用WinDriver提供的API函數(shù)來寫驅(qū)動(dòng)程序。這樣要比修改由Wizard生成的框架代碼靈活得多，并且編寫的程序更簡短。但這要求開發(fā)者熟悉驅(qū)動(dòng)程序的框架，能熟練運(yùn)用WinDriver API函數(shù)。 為了縮短開發(fā)周期，在實(shí)際應(yīng)用中選用了第1種方法生成驅(qū)動(dòng)程序。具體步驟如下： (1) 啟動(dòng)Driver Wizard，檢測連接的USB設(shè)備，生成inf文件，這個(gè)inf文件和WinDriver包含的windrvr6.sys一起，就是新開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。 (2) 點(diǎn)擊Next按鈕，進(jìn)入資源列表窗口，窗口中顯示了管道（Pipe）的一些基本信息。此窗口還可以用于對(duì)外設(shè)進(jìn)行讀寫，測試硬件資源的正確性，窗口中的Log部分即為測試結(jié)果。 (3) 點(diǎn)擊Next按鈕，進(jìn)入代碼生成窗口，在窗口中選擇生成C語言代碼。之后Driver Wizard將自動(dòng)生成針對(duì)ISP1581的樣本程序和工程文件(包括代碼文件、說明文件以及適用于VC++編譯器的項(xiàng)目文件)。 (4)重新安裝這個(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,利用DriverWizard生成的文件，就可開發(fā)應(yīng)用程序了。 經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有硬件上批量傳輸?shù)乃俣仍?0 Mb/s左右，可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)采樣頻率為500 kHz時(shí)的數(shù)據(jù)采集要求，即500K×4路×16=32 Mb/s。但與USB2.0規(guī)范的極限速度相比,現(xiàn)有的批量傳輸速度還不及其13%，分析其原因： (1) USB2.0規(guī)范定義的最大速度為480 Mb/s，但它是包含令牌包在內(nèi)的傳輸，因此,若扣除通信協(xié)議中的令牌，實(shí)際傳輸速度要遠(yuǎn)低于480 Mb/s。 (2) 從訪問寄存器的時(shí)序參數(shù)可以看出，讀/寫周期最小為80 ns，即DSP對(duì)ISP1581讀寫的最高頻率是12.5 MHz，由于每次讀寫操作的數(shù)據(jù)為2 B，所以DSP與接口芯片之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俾适?5 MB/s，最后的實(shí)際值應(yīng)該小于此值。 (3) 利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng)，事實(shí)上它只是定制和調(diào)用WinDriver提供的通用驅(qū)動(dòng)而已，所以并非有針對(duì)性地對(duì)特定硬件編程，程序執(zhí)行效率上也不免大打折扣。 (4) 計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的通信中還包含對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤的寫操作，使用測試軟件對(duì)所用機(jī)器硬盤進(jìn)行寫測試，測得平均速度在22～25 MB/s之間，因此硬盤的寫速度也是影響USB數(shù)據(jù)傳輸速度的原因之一。 因此若想在現(xiàn)有硬件平臺(tái)上獲得更高的速度可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行:采用端點(diǎn)的雙緩沖模式、采用ISP1581的DMA模式、采用效率更高的驅(qū)動(dòng)開發(fā)方式及優(yōu)化固件程序以提高硬件的工作效率等。 |
