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基于VC的USB接口通信程序设计
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引言
随着信息技术的迅速发展，数据采集和处理技术广泛应用于雷达、通信、遥测、遥感等领域。而在早期的计算机系统上通常使用串口或并口来发送数据，每个接口都需要占用计算机内部很多的资源，传统的接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线有较高的传输速率，可达132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它们的扩充槽有限且插拔不方便；RS-232串行总线连接比较方便，但是传输速率太慢，不易用于高速传送数据和传送大量数据。USB(通用串行总线)集中了PCI和RS-232串行总线的优点，具有方便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率，因此，将USB技术应用于数据采集是非常合适的，可以达到数据采集系统的高速度处理。目前，USB已经推出了其协议的2.0版本，速率高达480 Mbit／s。
本文研发了一套基于USB接口的数据采集系统，整个系统的设计涉及到硬件、设备固件(Firmware)、USB设备驱动程序及客户应用软件。下面分别加以说明。
1 USB接口芯片
本文介绍的USB数据采集系统采用了Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013-128AC芯片，它同时集成了8051微控制器和USB2.0收发器，在提高集成度的同时也加快了数据传输的速度。在系统中，CY7C68013-128AC既是数据采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3种型号：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。该系列的芯片都是针对USB2.0的，并且与USB1.1兼容。其中，CY7C68013-128AC是128脚，TPQF封装，功能非常完善，与另外两种相比，主要是增加了16位地址总线和8位数据总线以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可扩展性最好。图1是该芯片的内部结构图。
2 USB的固件和驱动程序设计
2.1固件
固件是储存在程序内存中的代码，它使得USB接口芯片与主机和外设中其他电路能够通信。Cypress公司给出了一个固件库和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51开发的。固件库提供了一些常量、数据结构、宏、函数来简化用户对芯片的使用；固件框架实现了初始化芯片、处理USB标准设备请求以及挂起状态下的电源管理等功能。该框架不添加任何代码，编码后产生的.HEX文件载入芯片就能与主机进行基本的USB通信，只是不能完成特定的任务。对于用户而言，主要的工作就是选择适当的传输方式，添加需要使用的端点(Endpoint)，考虑到本系统要求实现一定数量数据的快速采集，并要迅速地将采集到的数据传输和进行分析处理，并且对数据的完整性要求较高，我们采用了块传输方式(Bulk Transfers)，在TD-Init()函数中添加初始化代码，亦即选择块传输方式和选择端点2、6分别为输出、输入端口，在TD-Poll()函数中添加功能代码，以实现发送和接收数据功能，关键代码分别如下：
2.2 USB设备驱动程序
USB设备驱动程序主要是使操作系统能够识别USB设备，建立起主机端与设备端之间的通信，它们之间的通信是通过Windows提供的API函数实现的，这些函数可以控制显示器、处理信息、访问存储器、读写磁盘和其他设备。
图2是USB设备驱动程序的整体结构图。
USB设备驱动的整体结构包括如下5个主要部分：USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。
2.2.1 USB应用程序接口
USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时，I／O系统就调用该应用程序接口。
USB应用程序接口的一个例程主要包含：
a)对USB端口安装、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步骤为：将USB设备驱动器安装到I／O系统设备表中，获取USB控制器使用的中断号，初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器，启动USB标准事件处理程序。
b)打开USB端口(USB_open())。USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口和选择DMA数据传输方式。
c)关闭USB端口(USB_close())。USB_close函数允许应用程序关闭一个端口，并关闭DMA通道。
d)对USB端口进行读操作(USB_read())。USB_read函数允许应用程序从输出端口或控制端口读取一定量的数据。
e)对USB端口进行写操作(USB_write())。USB_write函数与USB_read函数功能类似，允许应用程序写数据到输入端口或控制端口。
f)对USB设备进行I／O控制操作(USB_ioctl())。
2.2.2 USB中断服务程序
USB控制器产生单一中断，多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK／ERROR中断；输出端口产生接收零字节包或短包中断；控制端口0接收设置包时产生中断；USB控制器产生USB事件中断，如帧起始(SOF)、挂起、恢复和复位。先识别发生USB中断的类型以清除中断产生的条件，再读USB状态寄存器，获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息，最后向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送中断消息。
随着信息技术的迅速发展，数据采集和处理技术广泛应用于雷达、通信、遥测、遥感等领域。而在早期的计算机系统上通常使用串口或并口来发送数据，每个接口都需要占用计算机内部很多的资源，传统的接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线有较高的传输速率，可达132 Mbit／s，也可以即插即用，但是它们的扩充槽有限且插拔不方便；RS-232串行总线连接比较方便，但是传输速率太慢，不易用于高速传送数据和传送大量数据。USB(通用串行总线)集中了PCI和RS-232串行总线的优点，具有方便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率，因此，将USB技术应用于数据采集是非常合适的，可以达到数据采集系统的高速度处理。目前，USB已经推出了其协议的2.0版本，速率高达480 Mbit／s。
本文研发了一套基于USB接口的数据采集系统，整个系统的设计涉及到硬件、设备固件(Firmware)、USB设备驱动程序及客户应用软件。下面分别加以说明。
1 USB接口芯片
本文介绍的USB数据采集系统采用了Cypress公司EZ-USB FX2系列的CY7C68013-128AC芯片，它同时集成了8051微控制器和USB2.0收发器，在提高集成度的同时也加快了数据传输的速度。在系统中，CY7C68013-128AC既是数据采集控制器又是USB控制器，EZ-USB FX2系列有3种型号：CY7C68013-56PVC、CY7C68013-100AC、CY7C68013-128AC。该系列的芯片都是针对USB2.0的，并且与USB1.1兼容。其中，CY7C68013-128AC是128脚，TPQF封装，功能非常完善，与另外两种相比，主要是增加了16位地址总线和8位数据总线以及更多的IO口，因此，CY7C68013-128AC的可扩展性最好。图1是该芯片的内部结构图。
2 USB的固件和驱动程序设计
2.1固件
固件是储存在程序内存中的代码，它使得USB接口芯片与主机和外设中其他电路能够通信。Cypress公司给出了一个固件库和固件框架(Frame Works)，均是用Keil C51开发的。固件库提供了一些常量、数据结构、宏、函数来简化用户对芯片的使用；固件框架实现了初始化芯片、处理USB标准设备请求以及挂起状态下的电源管理等功能。该框架不添加任何代码，编码后产生的.HEX文件载入芯片就能与主机进行基本的USB通信，只是不能完成特定的任务。对于用户而言，主要的工作就是选择适当的传输方式，添加需要使用的端点(Endpoint)，考虑到本系统要求实现一定数量数据的快速采集，并要迅速地将采集到的数据传输和进行分析处理，并且对数据的完整性要求较高，我们采用了块传输方式(Bulk Transfers)，在TD-Init()函数中添加初始化代码，亦即选择块传输方式和选择端点2、6分别为输出、输入端口，在TD-Poll()函数中添加功能代码，以实现发送和接收数据功能，关键代码分别如下：
2.2 USB设备驱动程序
USB设备驱动程序主要是使操作系统能够识别USB设备，建立起主机端与设备端之间的通信，它们之间的通信是通过Windows提供的API函数实现的，这些函数可以控制显示器、处理信息、访问存储器、读写磁盘和其他设备。
图2是USB设备驱动程序的整体结构图。
USB设备驱动的整体结构包括如下5个主要部分：USB应用程序接口、USB设备驱动函数、USB中断服务程序、USB回调接口程序、USB标准事件处理程序。
2.2.1 USB应用程序接口
USB应用程序接口主要功能是对USB驱动器进行软硬件初始化、打开端口、关闭端口、读端口、写端口和端口控制操作。当设备驱动器装入系统设备表时，I／O系统就调用该应用程序接口。
USB应用程序接口的一个例程主要包含：
a)对USB端口安装、初始化和硬件配置(USB_init())。初始化步骤为：将USB设备驱动器安装到I／O系统设备表中，获取USB控制器使用的中断号，初始化USB驱动器数据结构与USB端口状态寄存器，启动USB标准事件处理程序。
b)打开USB端口(USB_open())。USB_open函数允许应用程序打开一个USB端口和选择DMA数据传输方式。
c)关闭USB端口(USB_close())。USB_close函数允许应用程序关闭一个端口，并关闭DMA通道。
d)对USB端口进行读操作(USB_read())。USB_read函数允许应用程序从输出端口或控制端口读取一定量的数据。
e)对USB端口进行写操作(USB_write())。USB_write函数与USB_read函数功能类似，允许应用程序写数据到输入端口或控制端口。
f)对USB设备进行I／O控制操作(USB_ioctl())。
2.2.2 USB中断服务程序
USB控制器产生单一中断，多个端口共享。每个端口产生ACK、NACK／ERROR中断；输出端口产生接收零字节包或短包中断；控制端口0接收设置包时产生中断；USB控制器产生USB事件中断，如帧起始(SOF)、挂起、恢复和复位。先识别发生USB中断的类型以清除中断产生的条件，再读USB状态寄存器，获取当前配置、接口或帧起始时间戳状态信息，最后向USB控制器消息队列或回调函数的接收消息队列发送中断消息。
