0 引言

　　隨著信息技術的迅速發展，數據采集和處理技術廣泛應用于雷達、通信、遙測、遙感等領域。而在早期的計算機系統上通常使用串口或并口來發送數據，每個接口都需要占用計算機內部很多的資源，傳統的接口一般采用PCI總線或RS-232串行總線。PCI總線有較高的傳輸速率，可達132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它們的擴充槽有限且插拔不方便；RS-232串行總線連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數據和傳送大量數據。USB(通用串行總線)集中了PCI和RS-232串行總線的優點，具有方便的即插即用和熱插拔特性以及較高的傳輸速率，因此，將USB技術應用于數據采集是非常合適的，可以達到數據采集系統的高速度處理。目前，USB已經推出了其協議的2.0版本，速率高達480 Mbit／s。

　　本文研發了一套基于USB接口的數據采集系統，整個系統的設計涉及到硬件、設備固件(Firmware)、USB設備驅動程序及客戶應用軟件。下面分別加以說明。

　　1 USB接口芯片

　　本文介紹的USB數據采集系統采用了Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013-128AC芯片，它同時集成了8051微控制器和USB2.0收發器，在提高集成度的同時也加快了數據傳輸的速度。在系統中，CY7C68013-128AC既是數據采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3種型號：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。該系列的芯片都是針對USB2.0的，并且與USB1.1兼容。其中，CY7C68013-128AC是128腳，TPQF封裝，功能非常完善，與另外兩種相比，主要是增加了16位地址總線和8位數據總線以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可擴展性最好。圖1是該芯片的內部結構圖。

　　2 USB的固件和驅動程序設計

　　2.1固件

　　固件是儲存在程序內存中的代碼，它使得USB接口芯片與主機和外設中其他電路能夠通信。Cypress公司給出了一個固件庫和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51開發的。固件庫提供了一些常量、數據結構、宏、函數來簡化用戶對芯片的使用；固件框架實現了初始化芯片、處理USB標準設備請求以及掛起狀態下的電源管理等功能。該框架不添加任何代碼，編碼后產生的.HEX文件載入芯片就能與主機進行基本的USB通信，只是不能完成特定的任務。對于用戶而言，主要的工作就是選擇適當的傳輸方式，添加需要使用的端點(Endpoint)，考慮到本系統要求實現一定數量數據的快速采集，并要迅速地將采集到的數據傳輸和進行分析處理，并且對數據的完整性要求較高，我們采用了塊傳輸方式(Bulk Transfers)，在TD-Init()函數中添加初始化代碼，亦即選擇塊傳輸方式和選擇端點2、6分別為輸出、輸入端口，在TD-Poll()函數中添加功能代碼，以實現發送和接收數據功能，關鍵代碼分別如下：
       

　　2.2 USB設備驅動程序

　　USB設備驅動程序主要是使操作系統能夠識別USB設備，建立起主機端與設備端之間的通信，它們之間的通信是通過Windows提供的API函數實現的，這些函數可以控制顯示器、處理信息、訪問存儲器、讀寫磁盤和其他設備。

　　
　　圖2是USB設備驅動程序的整體結構圖。
　　

　　USB設備驅動的整體結構包括如下5個主要部分：USB應用程序接口、USB設備驅動函數、USB中斷服務程序、USB回調接口程序、USB標準事件處理程序。
2.2.1 USB應用程序接口

　　USB應用程序接口主要功能是對USB驅動器進行軟硬件初始化、打開端口、關閉端口、讀端口、寫端口和端口控制操作。當設備驅動器裝入系統設備表時，I／O系統就調用該應用程序接口。

　　USB應用程序接口的一個例程主要包含：

　　a)對USB端口安裝、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步驟為：將USB設備驅動器安裝到I／O系統設備表中，獲取USB控制器使用的中斷號，初始化USB驅動器數據結構與USB端口狀態寄存器，啟動USB標準事件處理程序。

　　b)打開USB端口(USB_open())。USB_open函數允許應用程序打開一個USB端口和選擇DMA數據傳輸方式。

　　c)關閉USB端口(USB_close())。USB_close函數允許應用程序關閉一個端口，并關閉DMA通道。

　　d)對USB端口進行讀操作(USB_read())。USB_read函數允許應用程序從輸出端口或控制端口讀取一定量的數據。

　　e)對USB端口進行寫操作(USB_write())。USB_write函數與USB_read函數功能類似，允許應用程序寫數據到輸入端口或控制端口。

　　f)對USB設備進行I／O控制操作(USB_ioctl())。

　　2.2.2 USB中斷服務程序

　　USB控制器產生單一中斷，多個端口共享。每個端口產生ACK、NACK／ERROR中斷；輸出端口產生接收零字節包或短包中斷；控制端口0接收設置包時產生中斷；USB控制器產生USB事件中斷，如幀起始(SOF)、掛起、恢復和復位。先識別發生USB中斷的類型以清除中斷產生的條件，再讀USB狀態寄存器，獲取當前配置、接口或幀起始時間戳狀態信息，最后向USB控制器消息隊列或回調函數的接收消息隊列發送中斷消息。