引 言

　　USB(Universal Serial Bus)接口是近年來應用在PC領域的新型接口技術。它基于單一的總線接口技術來滿足多種應用領域的需求;它的即插即用、支持熱插拔、易于擴展等特性極大地方便了用戶的使用,已逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。

　　傳統的開發USB應用系統的步驟是,先用windowsDDK(設備驅動程序開發包)或第三方開發工具(如DriverSt LJdic))開發LJSB驅動程序,然后用Visual C++編寫DLL(動態連接庫),再調有DLL來開發應用程序。顯然,這對windows編程不熟悉的人來說有一定的難度,何況USB驅動程序的開發難度很大。本文介紹一種簡單、快速開發USB接口應用系統的方法。它直接在LabVIEW環境下通過NI-VISA開發能驅動用戶USB系統的應用程序,完全避開了以前開發USB驅動程序的復雜性,大大縮短了開發周期。

　　1 N1-VISA簡介

　　NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture,以下簡稱為"VISA")是美國國家儀器NI(National1nstrLlrnent)公司開發的一種用來與各種儀器總線進行通信的應用編程接口。VISA總線1/()軟件是一個綜合軟件包,不受平臺、總線和環境的限制,可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。VISA是虛擬儀器系統I/O接口軟件?；谧缘紫蛏辖Y構模型的VISA創造了一個統一形式的I/O控制函數集。一方面,對初學者或是簡單任務的設計者來說, VISA提供了簡單易用的控制函數集,在應用形式上相當簡單;另一方面,對復雜系統的組建者來說,VISA提供了非常強大的儀器控制功能與資源管理。

　　2 LabVIEW及其調用VISA的條件

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是NI公司開發的一種基于圖形程序的編程語言。用戶利用創建和調用子程序的方法編寫程序,使創建的程序模塊化,而且程序編制簡單、直觀。一個LabVIEW程序分為3部分:前面板、框圖程序和圖標/接線端口。前面板用于模擬真實儀器的前面板;框圖程序是利用圖形語言對前面板上的控件對象(分為控制量和指示量兩種)進行控制;圖標/接線端口用于把LabVlEW程序定義成一個子程序,從而實現模塊化編程。

　　當進行USB通信時,VISA提供了兩類函數供LabVIEW調用,USB INSTR設備與USB RAW設備。USB INSTR設備是符合USBTMC協議的USB設備,可以通過使用USB INSTR類函數控制,通信時無需配置NI-VISA;而USB RAW設備是指除了明確符合USBTMC規格的儀器之外的任何USB設備,通信時要配置NI-VISA。

　　(1)配置NI-VISA的步驟

　?、偈褂肈river Development wizard(驅動程序開發向導)創建INF文檔;

　　②安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設備

　　③使用NI-VISA Interactive Control(NI-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。

　　詳細過程可參考NI官方網站上免費提供的文檔《使用NI-VISA控制USB設備》。

　　(2)與Nl-VISA相配合的LabVIEW模板中VI子節點

ViOpen,打開并指定VISA resource name的設備的連接。
ViProperty,VISA設備的屬性子節點,可以設置端點或傳輸方式。
ViWrite,向VISA resource name指定的設備寫入數據。
ViRead,從VISA resource name指定的設備讀出數據。
ViClose,結束設備讀寫并關閉與指定設備的連接。

　　(3)USB RAW設備讀寫的操作次序

　　USB RAW設備的讀寫次序如圖1所示。

　　下面以一個USB接口的溫度采集系統為例,說明基于NI-VISA驅動的USB接口應用系統的設計與實現。

　　3系統硬件結構

　　系統以Philips公司的增強型80C51單片機為核心,如圖2所示。這是一個多點溫度采集系統,核心器件是含有8 KB非易失Flash程序存儲器的P89C52,與標準80C51完全兼容。USB通信控制芯片采用Philips公司的PDIUSBDl2芯片(簡稱"D12")。它是一款較新型的專用 USB通信控制芯片,符合通用串行總線USBl.1版規范,內部集成有串行接口引擎SIE、320字節FIFO存儲器、收發器和電壓調節器。前端溫度傳感器采用Dallas公司生產的DSl8B20。它是一線式數字溫度傳感器,直接以數字量輸出給微處理器,可節省大量的引線和信號調理電路。DSl8B20內部有一個光刻ROM。這個ROM中存有64位序列號。它可以看作是該DS18B20的地址序列碼,所以多路溫度傳感器可以掛在1條總線上,共同占用單片機的1條I/O線即可實現接口。在提升單片機I/O線驅動能力的前提下,理論上可以任意擴充檢測的溫度點數。

　　D12與單片機的接口共有兩種方式:多路地址/數據總線方式和單地址/數據總線方式。這里選擇了單地址/數據總線方式,因此,D12的ALE接為低電平,而A0腳與P89C52X2的端口P3.3相連。該端口控制D12的命令和數據狀態：A0=1,表示數據總線上是命令;A0=O,表示數據總線上是數據。D12的數據總線直接與P0口相連,D12的中斷引腳INT_N與:P89C52X2的INTO相連。當D12的外部中斷有一位為1時,INT_N輸出低電平,觸發P89C52X2的外部中斷。因為系統未采用DMA,所以D12的DMACK_N引腳接高電平,EOT_N引腳通過電阻接到USB的+5V,以正確檢測到USB連接;INT_N引腳加一個上拉電阻。因為D12有片內上電復位電路,故引腳RESET_N直接與電源引腳VCC相連。溫度傳感器DSl8B20工作在外接電源工作方式,DQ引腳直接和P89C52X2的P1.O相連。

　　3.1 系統的工作原理

　　根據USB協議,任何傳輸都是由主機(host)開始的,單片機的前臺工作就是等待。主機Pc首先要發送令牌包給USB,D12接收到令牌包就給單片機發中斷,單片機進入中斷服務程序。首先讀D12的中斷寄存器,判斷LJSB令牌包的類型,然后執行相應的操作,因此,USB單片機程序主要就是中斷服務程序的編寫。在USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應,主要是對端口的編程。

　　3.2軟件部分的設計

　　系統的固件程序從功能上分為兩部分,整個編程在Keil C環境下完成。

　　(1)溫度傳感器DSl8B20的讀取程序時

　　Dsl8B20單線通信功能是分時實現的。它有很嚴格的時序要求,對它的操作必須按協議進行,即初始化→發ROM操作命令→發存儲器操作命令→數據處理。

　　(2)MCU和USB接口的通信程序

　　本程序使用D12的端點1和端點2進行上位計算機與MCU P89C52之間的命令和數據的傳輸。端點1和端點2設置成模式0（非同步方式）。其中端點1以中斷傳輸和應答端點2以批量方式進行數據的傳輸。端點1接收上位機發送過來的讀指令,端點2返回讀成功數據。

　　系統的固件程序編寫以分層結構展開。它足一種積木式結構,如圖3所示。

　　①硬件提取層:單片機的I/O口、數據總線等硬件接口進行操作。

　?、赑DIUSBDl2命令接口:對D12器件進行操作的模塊子程序集

 

　?、壑袛喾粘绦颍寒擠12向單片機發出中斷請求時，讀取D12中斷傳輸來的數據,并設定事件標志"EPPFIAGS"和Setup包數據緩沖區"CONROL_XFER"傳輸給主循環程序。

　　④標準設備請求處理程序:對USB的標準設備請求進行處理。

　?、輳S商請求處理程序:對用戶添加的廠商請求進行處理。

　?、拗鞒绦?出USB數據傳輸請求,處理總線事件和調用用戶自定義功能子程序

　　以NI-VISA為驅動的主機LabVIEW應用程序的設計,NI-VISA采用3.2版本,LabVIEW采用7.1版本。

　　整個應用程序的主要框架使用了WHILE循環來進行不斷的查詢。在程序的編寫過程中，采用了類似Windows程序中的事件驅動機制，LabVIEW提供了這樣的結構--事件結構。各個消息的產生利用了各種界面控件并由Case選擇結構給出，程序結構圖如圖4所示。

　　為了便于說明USB操作次序,把圖4中事件結構展發USB驅動應用程序的捷徑。

　　在圖5中,USB RAW設備通信采用端點l以中斷傳輸方式接收上位機操作命令,協議可以自己約定。端點2以批量傳輸方式給上位機發回溫度數據。其中端點數"130"是對應十六進制數"0082"的十進制數,此數表示端點2批量輸入;而端點數"1"則是對應十六進制數"0001"的十進制數,此數表示端點1中斷輸出。

　　因為NI-VISA3.2版本不支持USB屬性"中斷輸出"(interrupt out),因此為了實現USB端點1的中斷輸出問題,這里把USB屬性"批量輸出"(bulk out pipe)和"VI Write"節點組合在一起,來實現端點1中斷輸出。從NI-VISA3.3起，可以直接利用"中斷輸出"(interrupt out)屬性來實現。

　　結 語

　　經實踐證明,采用基于NI-VISA驅動的USB接口應用系統的設計非常容易,開發難度低,對開發者的要求不高;開發出的系統穩定可靠,即使對Windows編程不熟悉的人也可以開發USB出應用系統。它提供了另一種開發USB驅動應用程序的捷徑。