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基于USB接口的儀器儀表通信技術(shù)
USB(universal serial bus)即通用串行總線(xiàn)，它是一種應用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。隨著(zhù)支持USB標準Windows98的出現和USB設備數量的快速增加，USB才在近年逐漸流行起來(lái)。目前普遍采用的USB1.1主要應用在中低速外部設備上，它提供的傳輸速度有低速1.5Mbps和全速12Mbps兩種，一個(gè)USB端口可同時(shí)支持全速和低速的設備訪(fǎng)問(wèn)。目前，USB在自動(dòng)化控制領(lǐng)域主要用于數據采集系統，由PC作為USB主機端，單片機作為USB設備端。
USB數據傳輸方式USB通過(guò)主機上客戶(hù)軟件的內存緩沖區和USB設備上端點(diǎn)之間的管道來(lái)傳送數據。它提供有4種傳輸方式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和批量傳輸�？刂苽鬏敯l(fā)送設備請求信息，主要用于讀取設備配置信息和設備狀況，設置設備地址和設備屬性、發(fā)送控制命令等功能;同步傳輸提供了確定的帶寬和時(shí)間間隔，常被用于時(shí)間嚴格并具有較強容錯性的流數據傳輸，或4《自動(dòng)化儀表》第24卷第10期 2003年10月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION， Vol.24， No。10，Oct。， 2003者用于要求恒定的數據傳輸率的即時(shí)應用中;中斷傳輸主要用來(lái)支持那些偶爾需要對少量數據進(jìn)行通信，但服務(wù)時(shí)間卻受限的設備;批量傳輸主要用于大批量的數據傳輸，同時(shí)又沒(méi)有帶寬和時(shí)間間隔的要求，但是USB只能在滿(mǎn)足帶寬的情況下才進(jìn)行批量傳輸。
USB外圍設備的設計方案目前用于USB外圍設備設計的方案有兩種：一種是采用普通單片機外加USB接口器件;另一種是采用具有USB接口的單片機。普通單片機外加USB接口器件USB接口器件只用于處理USB通信，它必須由一個(gè)外部單片機來(lái)控制。通過(guò)USB接口器件可以把USB端口接到任何類(lèi)型的單片機上，這種實(shí)現USB接口的模塊化設計方法使得設計者可自由選擇合適的單片機。
目前市場(chǎng)上已有很多公司提供USB接口器件，Philips公司的PDIUSBD12是一款性?xún)r(jià)比高、帶并行總線(xiàn)的USB接口器件，它集成了SIE(串行接口引擎)、FI-FO(先進(jìn)先出)存儲器、收發(fā)器及電壓調節器，可與任何單片機實(shí)現高速并行接口;其主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數據的吞吐量，從而可以輕松地實(shí)現實(shí)時(shí)數據傳送;可通過(guò)軟件控制與USB的連接，支持雙電源(即3。3V和擴展的5V)操作;具有高糾錯率的全掃描設計確保了其高品質(zhì)。
具有USB接口的單片機隨著(zhù)USB應用的日益廣泛和流行，Intel、Cypress等單片機廠(chǎng)商推出了具有USB接口的單片機，這類(lèi)單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D、D/A，采用這類(lèi)單片機構成系統的電路簡(jiǎn)單、調試方便、電磁兼容性好。因此采用具有USB接口的單片機成了開(kāi)發(fā)USB外設的較好方案。不過(guò)由于增加了USB接口，這類(lèi)單片機與原先的開(kāi)發(fā)系統一般不完全兼容，需要購買(mǎi)新的開(kāi)發(fā)套件，需要新的投資。
Cypress半導體公司作為USB市場(chǎng)的著(zhù)名廠(chǎng)商，開(kāi)發(fā)的EZ-USB FX2成了世界上第一款USB2。0集成微控制器。它包括1個(gè)增強型8051單片機、1個(gè)串行接口引擎(SIE)、1個(gè)USB收發(fā)器、片上RAM、FIFO存儲器以及1個(gè)通用可編程接口。FX2提供了一個(gè)全面集成的解決方案，它不僅可減少電路板空間，而且大大縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間。
FX2擁有一個(gè)獨特的架構，其智能串行接口引擎在硬件層上處理USB1。1和USB2。0協(xié)議的大部分內容，因此外設產(chǎn)品設計人員不必為增加產(chǎn)品的USB功能而學(xué)習USB協(xié)議，從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)變得更加容易，同時(shí)減輕了單片機的負擔，而讓智能串行接口引擎從硬件上保證更高的傳輸率。FX2通用可編程接口(GPIF)，允許它"無(wú)膠粘接"，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行接口，并且它還支持所有通用總線(xiàn)標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。FX2完全適用于USB2。0，并向下兼容USB1.1。
USB在測控領(lǐng)域的應用2001年9月的《Test andMeasurement World》進(jìn)行了一次針對測量應用中PC用戶(hù)的未來(lái)需求調查，該調查顯示越來(lái)越多的用戶(hù)期望使用USB接口將他們的儀器及數據采集設備連接到PC。
USB通信的軟件設計包括單片機部分的固件部分和主機(PC)的驅動(dòng)程序部分。對于單片機控制程序，由于目前沒(méi)有任何廠(chǎng)商提供自動(dòng)生成固件(firmware)的工具，因此所有程序都需要手工編制。對USB的單片機控制程序通常由三部分組成：①初始化單片機和所有的外圍電路(包括PDIUS-BD12);②主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的;③中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時(shí)間敏感的，必須馬上執行。根據USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(host)開(kāi)始的，這樣，單片機作它的前臺工作，等待中斷。
主機首先要發(fā)令牌包給USB設備，PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類(lèi)型，然后執行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就是相對應的中斷服務(wù)程序。
對于主機部分的軟件設計，Windows98已提供多種USB設備的驅動(dòng)程序，但還沒(méi)有一種是專(zhuān)門(mén)針對數據采集系統的，所以必須針對特定的設備來(lái)編制驅動(dòng)程序。盡管系統已經(jīng)提供了很多標準接口函數，但編制驅動(dòng)程序仍然是USB開(kāi)發(fā)中最困難的一件事情，通常采用WindowsDDK來(lái)實(shí)現。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術(shù)來(lái)說(shuō)，USB的驅動(dòng)程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驅動(dòng)程序不同，它屬于WDM類(lèi)型。
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