采用USBN9602的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通用串行總線（USB）作為一種新的微機(jī)總線接口規(guī)范，具有便捷、易擴(kuò)展、低成本、低干擾等特點(diǎn)，非常適合作為主機(jī)和外設(shè)之間的通信接口。本文介紹基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)方法，包括硬件設(shè)計(jì)、Firmware(固件)設(shè)計(jì)、基于Windows驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)還介紹基于USB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

    關(guān)鍵詞：USB 軟件狗 加解密技術(shù) 反破解

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究過程的各行業(yè)中，常常要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，現(xiàn)在常用的采集方式是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡，如A/D卡及422卡、485卡、采集卡不僅安裝麻煩，易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備；而用串行總線USB（Universal Serial Bus）能很發(fā)地解決以上這些沖突。

利用89C51設(shè)計(jì)基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，還可與MAX485結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。該系統(tǒng)具有可靠性高、性價(jià)比高和多點(diǎn)采集等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊主要由串行A/D轉(zhuǎn)換器、89C51芯片、USB接口芯片和多路模擬開關(guān)等組成。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一種專用芯片USBN9602。該芯片內(nèi)部集成微處理器接口、FIFO存儲(chǔ)器、時(shí)鐘發(fā)生器、串行接口引擎（SIE）、收發(fā)器和電壓轉(zhuǎn)換器，支持DMA和微波接口。

多路模擬輸入信號(hào)經(jīng)多路模擬開關(guān)控制將其中的一路接入串行A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)光電隔離后串行輸出到移位寄存器，移位寄存器將此結(jié)果轉(zhuǎn)為8位并行數(shù)據(jù)。89C51系統(tǒng)通過8位的并行接口傳送A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在FIFO存儲(chǔ)器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后89C51系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲(chǔ)器中讀出，由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線（D+、D-）送至主機(jī)。USBN9602與89C51的具體接口電路如圖2所示。圖中USBN9602的CLKOUT與89C51的XTAL1相連，即USBN9602的時(shí)鐘輸出為89C51提供時(shí)鐘輸入。USBN9602的復(fù)位端接RC電路，以保證復(fù)位電路可靠地工作。由于晶振頻率較高，結(jié)合USBN9602內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在XOUT端串接100μF電容及470μF電感，起穩(wěn)定內(nèi)部振蕩頻率的作用。
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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括設(shè)備固件、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。

2.1 設(shè)備固件（firmaware）設(shè)計(jì)

此處固件是指固化到89C51 Flash中的程序。其主要功能是：①控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣；②控制芯片USBN9602接受并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求及應(yīng)用程序的控制指令。現(xiàn)主要介紹89C51系統(tǒng)如何控制USB控制器（USBN9602）與主機(jī)的通信。

89C51系統(tǒng)對(duì)USB控制器的操作是嚴(yán)格按照USB協(xié)議1.1進(jìn)行的。按照USB協(xié)議1.1的規(guī)定，USB傳輸方式分為4種：控制傳輸、塊傳輸、同步傳輸和中斷傳輸。在實(shí)際開發(fā)中使用了控制傳輸和塊傳輸。控制傳輸主要完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的各種控制操作，也就是實(shí)現(xiàn)位于主機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USBD.SYS）以及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作。塊傳輸主要完成主機(jī)和設(shè)備間的大指數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)（若發(fā)生錯(cuò)誤，它支持“重傳”功能）。

89C51系統(tǒng)控制USB控制器的工作工程可以簡(jiǎn)單地概括為：當(dāng)USB控制器從USB總線檢測(cè)到主機(jī)啟動(dòng)的某一傳輸請(qǐng)求后，USB控制器通過中斷方式將此請(qǐng)求通知89C51系統(tǒng)；89C51系統(tǒng)通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)，對(duì)USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的操作，以完成主機(jī)的傳輸請(qǐng)求。理解了以上的工作過程就可以進(jìn)行相應(yīng)的固件設(shè)計(jì)。

2.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于驅(qū)動(dòng)程序模型WDM（Window Driver Model）的。WDM采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型：較高級(jí)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級(jí)的通用串行總線模塊（USBD）和較低級(jí)的主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊（HCD）。

目前，Windwos98提供了多種USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但并不針對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此需用DDK（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包）開發(fā)工具設(shè)計(jì)專用的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。目前，寫USB驅(qū)動(dòng)程序的軟件也很多，它們均提供用于生成USB驅(qū)動(dòng)的代碼生成器，用戶按照提示可以定義設(shè)備的配置和功能，然后做功能的修改即可。利用軟件中提供的例子進(jìn)行修改也是一個(gè)比較好的捷徑�？梢园裊SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能劃分成4個(gè)不同的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊。

初始化模塊提供1個(gè)入口函數(shù)DriverEntry()，整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)為DriverEntry例程。在DriverEntry中，需要提供一個(gè)AddDe

vice例程，把驅(qū)動(dòng)程序添加到驅(qū)動(dòng)程序堆棧中去。另外，所有對(duì)各種IRP（I/O請(qǐng)求包，如：IRP_MJ_CREATE，IRP_MJ_WRITE，IRP_MJ_CLOSE，IRP_MJ_READ，IRP_MJ_DEVICE_CONTROL等）的處理例程都在此入口函數(shù)中作為定義，如：

DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,…) //驅(qū)動(dòng)程序入口

{

DriverObject->DriverExtension->AddDevice=USBAddDevice;

DriverObject->DriverUnload=USBUnload;

DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=USBRead;

DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]=USBWrite；

…

}

圖2 USBN9602與89C51接口電路

    即插即用管理模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測(cè)到有USB設(shè)備接入時(shí)，Windows98查找響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用它的DriverEntry例程。PnP（即插即用）管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice例程，告訴它添加了一個(gè)設(shè)備。在此處理過程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)設(shè)備啟動(dòng)請(qǐng)求（IRP_MN_START_DEVICE）的IRP。同理，當(dāng)要拔除時(shí)，PnP管理器會(huì)發(fā)出一個(gè)設(shè)備刪除請(qǐng)求（IRP_MN_REMOVE_DEVICE）的IRP，由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理。通過對(duì)這些PnP請(qǐng)求的處理，可支持設(shè)備的熱插拔和即插即用功能。

電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。

I/O功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I/O請(qǐng)求的大部分工作。若應(yīng)用程序想對(duì)設(shè)備進(jìn)行I/O操作，它便使用Windows API函數(shù)，對(duì)WIN32子系統(tǒng)進(jìn)行WIN32調(diào)用。此調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收并通知I/O管理器，I/O管理將此請(qǐng)求構(gòu)造成一個(gè)合適的I/O請(qǐng)求包（IRP）并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收到這個(gè)IRP以后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼，構(gòu)造相應(yīng)的USB請(qǐng)求塊并把此URB（USB請(qǐng)求塊）放到一個(gè)新的IRP中。然后，把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)IRP中所含的URB執(zhí)行相應(yīng)的操作（如從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)等），并把操作結(jié)構(gòu)通過IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收到此IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還給I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中操作結(jié)果返還給應(yīng)用程序，至此應(yīng)用程序?qū)�USB設(shè)備的一次I/O操作完成。

2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

用戶態(tài)的應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心，其主要功能為：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測(cè)USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。

由于USBN9602提供的FIFO不超過64字節(jié)，當(dāng)它存滿后，USBN9602自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包即時(shí)請(qǐng)求讀入數(shù)據(jù)，由SIE自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)A/D模塊后，便會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)線程：采樣線程和顯示存盤線程。采樣線程負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序提交的內(nèi)存；而顯示存盤線程負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送顯示和存盤消息。當(dāng)應(yīng)用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。此處需要注意的是，采樣線程和顯示存盤線程在讀寫應(yīng)用程序提交的內(nèi)存時(shí)要保持同步。

3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十m，這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而言顯然太短了。現(xiàn)在，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有大量采用RS-485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)主要為傳輸距離可達(dá)到1200m以上，并且可以掛接多個(gè)設(shè)備；但傳輸速度慢，且需要板卡支持，安裝麻煩。將RS-485與USB結(jié)合起來(lái)，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是RS-485～USB轉(zhuǎn)換器，可以采用USBN9602+89C51+MAX485實(shí)現(xiàn)這一功能。整個(gè)系統(tǒng)的基本思想是：將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS-485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。RS-485～USB轉(zhuǎn)換器在主機(jī)端接收485的數(shù)據(jù)。并通過USB接口傳輸?shù)街鳈C(jī)處理；而主機(jī)向USB發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)通過RS-485～USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的雙向傳輸如圖3所示。軟件方面的設(shè)計(jì)與上面所述類似。

結(jié)語(yǔ)

目前，基于USB外設(shè)的應(yīng)用在國(guó)外處于高速發(fā)展階段，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也已經(jīng)日見擴(kuò)大；利用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制已得到成功應(yīng)用，特別是隨著USB協(xié)議2.0的推出，數(shù)據(jù)傳輸速率高這480Mbps。如此高的傳輸速率，必將使USB在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢(shì)更加充分地體現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)會(huì)使其在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。

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