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基于LabVIEW的USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)的USB數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了LabVIEW對(duì)外部動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用方法以及USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：USB LabVIEW 數(shù)據(jù)采集
通用串行總線USB（Universal Serial Bus）作為一種新型的數(shù)據(jù)通信接口在越來(lái)越廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。而基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡與傳統(tǒng)的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
USB的應(yīng)用程序一般用Visual C++編寫，較為復(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。由美國(guó)國(guó)家儀器（VI）公司開發(fā)的LabVIEW語(yǔ)言是一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言，內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)分析分析以及控制等子程序，用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)，而且程序編程簡(jiǎn)單、直觀。因此它特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。利用它編制USB應(yīng)用程序，把LabVIEW語(yǔ)言和USB總線緊密結(jié)合起來(lái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將集成兩者的優(yōu)點(diǎn)。USB總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速的采集，把采集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)后再通過(guò)LabVIEW的功能模塊順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲(chǔ)。
1 USB及其在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的應(yīng)用
USB自1995年在Comdex上亮相以來(lái)，已廣泛地為各PC廠家所支持�，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配置了USB接口，Microsoft的Windows 98、NT以及Mac OS、Linux等流行操作系統(tǒng)都增加對(duì)USB的支持。USB具有速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電、使用靈活等主要優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
一個(gè)實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根據(jù)系統(tǒng)需要添加的A/D轉(zhuǎn)換器和EPROM、SRAM等。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾性，尤其對(duì)A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片；另一種是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。USB的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以總線供電，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通道不大，因此可以設(shè)計(jì)成總線供電。
一個(gè)USB設(shè)備的軟件一般包括主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和寫進(jìn)ROM里面的Firmware。Windows98提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但還沒(méi)有一種專門針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以必須針對(duì)特定的設(shè)備編制驅(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。通常采用Windows DDK實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等軟件能夠輕易地生成高質(zhì)量的USB驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)程序的編制也同樣困難，而且沒(méi)有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的，而用戶卻不太關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過(guò)鼠標(biāo)操作設(shè)備，如何處理和分析采集進(jìn)來(lái)的大量數(shù)據(jù)。因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及提供給用戶進(jìn)行再開發(fā)的接口。
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2 LabVIEW及其外部動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用
LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司開發(fā)的一種基于圖形程序的虛擬儀表編程語(yǔ)言，其在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序（簡(jiǎn)稱VI），主要包括兩部分：前面板（即人機(jī)界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。框圖程序應(yīng)用圖形編程語(yǔ)言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。LabVIEW的強(qiáng)大功能在于層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而且，調(diào)用階數(shù)可以是任意的。LabVIEW這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)。LabVIEW編程方法與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法不同，它擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線形結(jié)構(gòu)的束縛。LabVIEW的執(zhí)行順序依方塊圖間數(shù)據(jù)的流向決定，而不像一般通用的編程語(yǔ)言逐行執(zhí)行。在編寫方框圖程序時(shí)，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，然后再以線條相互連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
LabVIEW雖有接口卡的驅(qū)動(dòng)和管理程序，但主要是針對(duì)NI公司自己生產(chǎn)的卡。對(duì)于普通的I/O卡，還不能直接被LabVIEW所應(yīng)用，必須采取其他方法。其中可以用LabVIEW的PortIn和PortOut功能，但此法應(yīng)用簡(jiǎn)單，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的接口功能。而采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可以根據(jù)具體需要編寫適當(dāng)?shù)某绦�，靈活利用LabVIEW的各項(xiàng)功能。用戶可以自己編寫DLLs實(shí)現(xiàn)LabVIEW與硬件的鏈接。用VC++6.0編制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，首先生成DLL框架，AppWizard將自動(dòng)生成項(xiàng)目文件，但不產(chǎn)生任何代碼，所有代碼均需用戶自己鍵入。DLL需要的文件有：①h函數(shù)聲明文件；②c源文件；③def定義文件。H文件的作用是聲明DLL要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)原型，供DLL編譯使用，同時(shí)還提供應(yīng)用程序編譯使用。C文件是實(shí)現(xiàn)具體文件的源文件，它有一個(gè)入口點(diǎn)函數(shù)，在DLL被初次調(diào)用的運(yùn)行，做一些初始化工作。一般情況下，用戶無(wú)須做什么初始化工作，只需保留入口點(diǎn)函數(shù)框架即可。def文件是DLL項(xiàng)目中比較特殊的文件，它用來(lái)定義該DLL項(xiàng)目將輸出哪些函數(shù)，只有該文件列出的函數(shù)才能被應(yīng)用函數(shù)調(diào)用。要輸出的函數(shù)名列在該文件EXPORTS關(guān)鍵字下面。
3 基于AN2131Q的單光子采集系統(tǒng)
該采集系統(tǒng)由筆者自行開發(fā)并用于單光子計(jì)數(shù)種子活性快速檢測(cè)儀中。它主要由將光子信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的光電倍增管（PMT）及其輔助電路和基于AN2131Q的USB采集卡組成。PMT及其前置放大器、放大器、甄別器等輔助電路能將微弱的光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為15ns的標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻處理后再被USB采集，USB將采集的結(jié)果實(shí)時(shí)地傳給主機(jī)處理。
3.1 USB采集卡的硬件組成
該采集卡由微控制器、USB通信接口、主機(jī)以及數(shù)字I/O端口組成，如圖1所示。
筆者設(shè)計(jì)了一種同步傳輸方式的單片方案，應(yīng)用了內(nèi)置微處理器的USB設(shè)計(jì)——EZ-USB AN2131Q。它是Cypress公司的一種內(nèi)嵌微控制器的80腳USB芯片，包含三個(gè)8位多功能口，8位數(shù)據(jù)端口，16位地址端口，二個(gè)USB數(shù)據(jù)端口，二個(gè)可定義16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和其他輸入輸出端口。其采用一種基于內(nèi)部RAM的解決方案，允許客戶隨時(shí)不斷地設(shè)置和升級(jí)，不受端口數(shù)、緩沖大小和傳輸速度及傳輸方式的限制。片內(nèi)嵌有一個(gè)增強(qiáng)型8051微控制器，其4個(gè)時(shí)鐘的循環(huán)周期使它比標(biāo)準(zhǔn)8051的速度快3倍。采用同步傳輸方式將單片機(jī)的計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)傳送給主機(jī)，而主機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)則采用塊傳輸方式傳送。EZ-USB是Cypress公司推出的USB開發(fā)系統(tǒng)，它為USB外設(shè)提供了一種很好的集成化解決方案。EZ-USB在其內(nèi)核已做了大量繁瑣的、重復(fù)性的工作，這樣就簡(jiǎn)化了開發(fā)代碼，進(jìn)而縮短了開發(fā)周期。此外，開發(fā)商還提供了配套的開發(fā)軟件（包括編譯軟件uVision 51、調(diào)試軟件dScope 51、控制軟件EZUSB Controll Panel）以及驅(qū)動(dòng)程序GPD（General Purpose Driver）接口，以便于用戶進(jìn)行開發(fā)使用。
圖2 開啟設(shè)備和獲取采集數(shù)據(jù)的流程圖
3.2 USB采集卡的軟件構(gòu)成
在USB的Firmware中，采取同步傳輸（Isochronous Transactions）和塊傳輸（Bulk Transactions）兩種傳輸方式。同步方式用來(lái)實(shí)時(shí)傳送采集的數(shù)據(jù)，塊傳輸主要用來(lái)傳輸主機(jī)命令信號(hào)和USB的狀態(tài)信息。塊傳輸中利用端點(diǎn)（Endpoint）2。兩種傳輸方式的核心中斷程序如下：
void ISR_Sutok(void)interrupt 0 //塊傳輸方式
{
//initialize the couters in the 8051
TMOD=0x05；
TCON=0x10；
TH0=0；
TL0=0;
Thb=0,
TH0=0；
TL0=0;
thb=0；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSUTOK; //Clear SUTOK IRQ
}
void ISR_Sof(void)interrupt 0 //同步傳輸方式
{
if(TCON&0x21){ //Deal with the counter overflow
TH0=0;
Tl0=0;
THB++;
TCON&=0xdf;}
IN8DATA=TH0; //3 Bytes counter result
IN8DATA=TL0；
IN8DATA=THB；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSOF; //Clear SOF IRQ
}
在LabVIEW應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)了一Usb.dll文件作為LabVIEW與USB的驅(qū)動(dòng)程序。由于EZ-USB開發(fā)系統(tǒng)中已經(jīng)提供了底層驅(qū)動(dòng)程序（GPD）接口函數(shù)，用戶只需調(diào)用這些函數(shù)即可與USB設(shè)備連接。因此在DLL的編制中只需調(diào)用它提供的函數(shù)，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，提高了開發(fā)速度。創(chuàng)建的Usb.dll文件中包含了如下五個(gè)輸出函數(shù)，功能說(shuō)明如表1所示。
表1 Usb.dll包含函數(shù)的功能說(shuō)明
其定義如下：
LPSTR_declspec(dllexport)_stdcall Control(int input);
int_declspec(dllexport)_stdcall ReadResult(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StartIsoStream(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StartThread(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StopThread(void)；
開啟設(shè)備和獲取采集數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖2所示。它的主要功能有：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測(cè)USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）和端點(diǎn)（endpoint）、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。
程序在VC++6.0環(huán)境下編制成功后自動(dòng)生成DLL文件。調(diào)用時(shí)，在框圖程序窗口打開FunctionPalette（功能模板），在Advanced模塊包含有對(duì)庫(kù)函數(shù)的調(diào)模塊，即CallLibraryFunction。把編寫好的DLLs放在當(dāng)前目錄或特定目錄下。在功能模板放置函數(shù)調(diào)用模塊，然后選Configure，出現(xiàn)對(duì)話框。根據(jù)LabVIEW與DLLs的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系填寫好DLL文件的路徑（DLL文件不在當(dāng)前目錄下）、被調(diào)用函數(shù)名、參數(shù)的類型及返回類型。需要注意的是，當(dāng)調(diào)用多個(gè)函數(shù)時(shí)要分別填寫參數(shù)的個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的類型，而且在調(diào)用過(guò)程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)位的一致。填好選擇OK按鈕后，LabVIEW將自動(dòng)生成各參數(shù)的入口及出口狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與DLLs的調(diào)用。
通過(guò)上述方法成功實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與USB驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)了以LabVIEW為應(yīng)用程序的USB實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)。將USB采集卡增加A/D或D/A并對(duì)電路作相應(yīng)的改動(dòng)后，即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)采集卡的所有功能。很明顯，這種集成了USB接口優(yōu)點(diǎn)和LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言的采集處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)采集卡相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，不僅性價(jià)比高、通用性高、易于開發(fā)、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，且可以大大縮短開發(fā)時(shí)間。
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