基于USB总线和89C51单片机的数据采集系统设计

在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，现在常用的采集方式是在PC机或工控机内安装数据采集卡，如A/D卡及RS-422卡、RS-485卡。采集卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的影响，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而通用串行总线(Universal Serial Bus,简称USB)的出现能很好地解决以上这些冲突。我们利用89C51单片机设计了基于USB总线的数据采集设备，并可与MAX485结合起来实现数据的远程采集。

系统硬件设计

USB数据采集系统硬件模块主要由串行A/D转换器、89C51芯片、USB接口芯片和多路模拟开关等组成。硬件总体结构框图如图1所示。



图1 硬件总体结构框图

USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一种专用芯片USBN9602。该芯片内部集成微处理器接口、 FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎(SIE)、收发器、电压转换器，支持DMA、微波接口。

多路模拟输入信号经多路模拟开关控制将其中的一路接入串行A/D转换器，A/D转换器经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为8位并行数据，89C51系统通过8位的并行接口传送A/D转换器采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理,然后89C51系统将数据从FIFO存储器中读出，由收发器通过数据线(D+、D-)送至主机。 USBN9602与89C51的具体接口电路如图2所示。图中USBN9602的CLKOUT与89C51的XTAL1相连，即USBN9602的时钟输出为89C51提供时钟输入。USBN9602的复位端接RC电路以保证复位电路可*地工作。由于晶振频率较高，结合USBN9602内部网络，在XOUT端串接100mF电容及470mH电感，起稳定内部振荡频率的作用。



图2 USBN9602与89C51接口电路

系统软件设计

系统软件包括设备固件、 USB设备驱动程序和应用程序。

设备固件(firmware)设计

此处固件是指固化到89C51E2PROM中的程序，其主要功能是: (1)控制A/D转换器的采样。(2)控制芯片USBN9602接受并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令。现主要介绍89C51系统如何控制USB控制器(USBN9602)与主机的通信。89C51系统对USB控制器的操作是严格按照USB协议1.1进行的，按照USB协议1.1的规定，USB传输方式分为4种：控制传输，块传输，同步传输和中断传输。在实际开发中使用了控制传输和块传输。控制传输主要用来完成主机对设备的各种控制操作，也就是用来实现位于主机上的USB总线驱动程序(USBD.SYS)以及编写的功能驱动程序对设备的各种控制操作。块传输主要用来完成主机和设备间的大批量数据传输以及对传输数据进行错误检测(若发生错误，它支持“重传”功能)。

89C51系统控制USB控制器的工作过程可以简单地概括为：当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求后，通过中断方式将此请求通知89C51系统，89C51系统通过访问USB控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。

USB设备驱动程序设计

USB系统驱动程序的设计是基于WDM(Windows driver model 驱动程序模型)的。WDM采用分层驱动程序模型(见图3所示)，分为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。

在上述USB分层模块中，USB函数层由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信，加载及卸载USB驱动程序，与USB设备通用端点(endpoint)建立通信来执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。

目前Windows98提供了多种 USB设备驱动程序，但并不针对数据采集设备，因此需用DDK开发工具设计专用的USB设备驱动程序。在本设计中由四个模块实现：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能实现模块。



图3 USB系统驱动程序层次关系

初始化模块提供一个入口函数DriverEntry()，所有对各种IR P(I/O Request Packet,IRP请求包)的处理例程都在此入口函数中做出定义。

即插即用管理模块实现USB设备的热拔插及动态配置。当硬件检测到USB设备接入时，Windows98查找响应的驱动程序，并调用它的DriverEntry例程，PnP(即插即用)管理器调用驱动程序的AddDevice例程，告诉它添加了一个设备；在此处理过程中，驱动程序收到一个设备启动请求(IRP_MN_START_DEVICE)的IRP。同理，当要拔除时，PnP管理器会发出一个设备删除请求(IRP_MN_REMOVE_DEVICE)的IRP，由驱动程序进行处理。通过对这些PnP请求的处理，可支持设备的热插拔和即插即用功能。

电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。

I/O功能实现模块完成I/O请求的大部分工作。若应用程序想对设备进行I/O操作，它便使用Windows API函数,对WIN32子系统进行WIN32调用。此调用由I/O系统服务接收并通知I/O管理器，I/O管理器将此请求构造成一个合适的I/O请求包(IRP)并把它传递给USB设备驱动程序，USB设备驱动程序接收到这个IRP以后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造相应的USB请求块并把此URB(USB请求块)放到一个新的IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作(如从USB设备读取数据等)，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到此IRP后，将操作结果通过IRP返还给I/O管理器，最后I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。