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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，它是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。隨著支持USB標(biāo)準(zhǔn)Windows98的出現(xiàn)和USB設(shè)備數(shù)量的快速增加，USB才在近年逐漸流行起來。目前普遍采用的USB1.1主要應(yīng)用在中低速外部設(shè)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(shè)備訪問。目前，USB在自動(dòng)化控制領(lǐng)域主要用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由PC作為USB主機(jī)端，單片機(jī)作為USB設(shè)備端。
USB數(shù)據(jù)傳輸方式USB通過主機(jī)上客戶軟件的內(nèi)存緩沖區(qū)和USB設(shè)備上端點(diǎn)之間的管道來傳送數(shù)據(jù)。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(shè)備請(qǐng)求信息，主要用于讀取設(shè)備配置信息和設(shè)備狀況，設(shè)置設(shè)備地址和設(shè)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(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的流數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率的即時(shí)應(yīng)用中;中斷傳輸主要用來支持那些偶爾需要對(duì)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，但服務(wù)時(shí)間卻受限的設(shè)備;批量傳輸主要用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)又沒有帶寬和時(shí)間間隔的要求，但是USB只能在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行批量傳輸。
USB外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)方案目前用于USB外圍設(shè)備設(shè)計(jì)的方案有兩種：一種是采用普通單片機(jī)外加USB接口器件;另一種是采用具有USB接口的單片機(jī)。普通單片機(jī)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(jī)來控制。通過USB接口器件可以把USB端口接到任何類型的單片機(jī)上，這種實(shí)現(xiàn)USB接口的模塊化設(shè)計(jì)方法使得設(shè)計(jì)者可自由選擇合適的單片機(jī)。
目前市場(chǎng)上已有很多公司提供USB接口器件，Philips公司的PDIUSBD12是一款性價(jià)比高、帶并行總線的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(chǔ)器、收發(fā)器及電壓調(diào)節(jié)器，可與任何單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高速并行接口;其主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)的吞吐量，從而可以輕松地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送;可通過軟件控制與USB的連接，支持雙電源(即3。3V和擴(kuò)展的5V)操作;具有高糾錯(cuò)率的全掃描設(shè)計(jì)確保了其高品質(zhì)。
具有USB接口的單片機(jī)隨著USB應(yīng)用的日益廣泛和流行，Intel、Cypress等單片機(jī)廠商推出了具有USB接口的單片機(jī)，這類單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路A/D、D/A，采用這類單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、電磁兼容性好。因此采用具有USB接口的單片機(jī)成了開發(fā)USB外設(shè)的較好方案。不過由于增加了USB接口，這類單片機(jī)與原先的開發(fā)系統(tǒng)一般不完全兼容，需要購(gòu)買新的開發(fā)套件，需要新的投資。
Cypress半導(dǎo)體公司作為USB市場(chǎng)的著名廠商，開發(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(qiáng)型8051單片機(jī)、1個(gè)串行接口引擎(SIE)、1個(gè)USB收發(fā)器、片上RAM、FIFO存儲(chǔ)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(dú)特的架構(gòu)，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(nèi)容，因此外設(shè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員不必為增加產(chǎn)品的USB功能而學(xué)習(xí)USB協(xié)議，從而使產(chǎn)品開發(fā)變得更加容易，同時(shí)減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，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標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用2001年9月的《Test andMeasurement World》進(jìn)行了一次針對(duì)測(cè)量應(yīng)用中PC用戶的未來需求調(diào)查，該調(diào)查顯示越來越多的用戶期望使用USB接口將他們的儀器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到PC。
USB通信的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)部分的固件部分和主機(jī)(PC)的驅(qū)動(dòng)程序部分。對(duì)于單片機(jī)控制程序，由于目前沒有任何廠商提供自動(dòng)生成固件(firmware)的工具，因此所有程序都需要手工編制。對(duì)USB的單片機(jī)控制程序通常由三部分組成：①初始化單片機(jī)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(duì)時(shí)間敏感的，必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(jī)(host)開始的，這樣，單片機(jī)作它的前臺(tái)工作，等待中斷。
主機(jī)首先要發(fā)令牌包給USB設(shè)備，PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，USB單片機(jī)程序主要就是相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
對(duì)于主機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)，Windows98已提供多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但還沒有一種是專門針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對(duì)特定的設(shè)備來編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用WindowsDDK來實(shí)現(xiàn)。作為WIN98和WIN2K推薦的一項(xiàng)新技術(shù)來說，USB的驅(qū)動(dòng)程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驅(qū)動(dòng)程序不同，它屬于WDM類型。
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