基于LabVIEW与USB的虚拟仪器接口设计

2 软件设计
软件设计是虚拟仪器开发的必备环节。基于LabVIEW与USB的虚拟仪器的软件设计分为4部分：主机操作系统上的客户驱动程序、主机应用程序、Ez-USB FX2的固件程序以及FPGA软件。
2．1 驱动程序
主机软件部分包括USB客户驱动程序和主机应用程序。USB客户驱程序是支持即插即用功能的标准WDM驱动程序，它为实现控制传输、中断传输和批传输提供了标准接口函数。一般情况下Cypress公司所提供的客户驱动程序已经能够满足需求，如果有特别的需求，可以在其基础上开发自己的驱动程序。
2．2 应用程序LabVIEW调用DLL
主机应用程序是系统与用户的接口，需要一个图形用户界面来控制所调用的函数，这里采用LabVIEW来编写应用程序。它通过调用DLL与驱动程序进行通信，以完成对外设的数据传输。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。在DLL程序中主要用到2个API函数：一是利用Create-File得到USB句柄；二是利用DeviceIoControl来向设备驱动程序发送请求，完成在EZ-USB FX2中数据批传输的读取与写入。
采用LabVIEw来设计这里的应用程序，关键是通过Call Library Function节点来调用前面所编写DLL文件中的各个函数。该节点位于Functions Palette的Connectivity |Libraries & Executables | Call LibraryFunction Node，如图5所示。

通过CLF节点来调用前面所编写的DLL步骤如下：
(1)单击该节点将其放置在程序框图中，此时该节点没有与任何DLL连接；
(2)右击该节点并选择Configure选项或者直接双击该节点可以打开库函数配置对话框；
(3)在该模块的属性设置中选择DLL文件中所包含的某个函数，然后再设置好函数的返回类型和参数类型。这样就可以使LabVIEW调用DLL文件中的一个函数(针对DLL中的每个函数都需要设置一个CallLibrary Function Node)。最后把该模块的另一端连接到显示模块，就可以显示从USB接口读进的数据。

2．3 EZ-USB FX2的固件程序
固件程序是指运行在设备CPU中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有特定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备。固件代码的存储位置一般有2种：
第一种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件下载到片内RAM后执行，即"重新枚举"；
第二种是把固件代码固化到1片E2RPOM中，外设加电后由FX2通过I2C总线下载到片内RAM后自动执行。笔者选用第一种方式，这种方式便于系统的调试和升级。
为了简化和加速用户使用EZ-USB FX2芯片进行USB外设的开发过程，Cypress公司提供了一个完整的固件程序架构，用户只需要提供一个USB描述符表，添加其他端点接收和发送数据的通信代码，以及控制外围电路的程序代码。具体操作可以参考文献[1]中的内容。
2．4 FPGA软件
该系统采用VHDL和BlockDiagram／Schematic相结合的方法来对各功能模块进行逻辑描述，然后通过EDA开发平台，对FPGA芯片进行编程，实现系统的设计要求。
数据采集系统的数据方向是双向的。从计算机端来看，"读数据"即FPGA通过CY7C68013向计算机发送测井数据；"写数据"即计算机通过CY7C68013向FPGA发送测井命令。
如图6所示，"读数据模式"的工作原理是计算机在数据采集模式下，CY7C68013的PD7被设置为低电平，FPGA判断该位电平为低，则工作在向USB发送数据模式。此时，FPGA判断USB单片机FULL管脚是否有效，若CY7C68013中FIFO6未满，则一直向FIFO6发送数据。计算机接收到被A／D数据后，完成计算、绘图、保存等功能。

"写数据模式"的工作原理：计算机在发送命令模式下，CY7C68013的PD7被设置为高电平，FPGA判断该位电平为高，则工作在接收USB发送命令模式。此时，FPGA判断USB单片机EMPTY管脚是否有效，若CY7C68013中FIFO2未空，则一直读取FIFO2中的命令数据，同时根据命令改变A／D采集的通道数和程控放大器的增益值。

3 结语
设计的基于LabVIEW与USB的虚拟仪器不但具有体积小，功耗低，成本低，使用灵活方便，硬件电路简单，可在线更新等特点；而且还充分利用了微机资源和LabVIEw的灵活性，因而易开发，且扩展性好。目前，基于LabVIEW与USB的虚拟仪器已经用于我校电子电工实验室建设之中，能达到高速数据传输、记录及显示的要求，具有较高的实用价值。