基于NI-VISA与LabVIEW的USB接口应用设计 技术, Windows, 热插拔, 接口

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通用串行总线(USB)作为一种灵活的高速总线接口技术，非常适合作为主机和外设之问的通信接口，但其结构复杂。
       本文以一个采集多点温度的实际系统为倒，阐述USB接口应用系统的总体设计思想及其层次结构，在实现方法上避开传统的Windows编程技术，另辟蹊径地给出使用NI-VISA来驱动USB接口以应用LabVIEW进行应用编程的方法。

        USB(Universal Serial Bus)接口是近年来应用在PC领域的新型接口技术。它基于单一的总线接口技术来满足多种应用领域的需求；它的即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大地方便了用户的使用，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。
   
        传统的开发USB应用系统的步骤是，先用WindowsDDK(设备驱动程序开发包)或第三方开发工具(如DriverStudio)开发USB驱动程序，然后用Visual C++编写DLL(动态连接库)，最后再调有DLL来开发应用程序。显然，这对Windows编程不熟悉的人来说有一定的难度，何况USB驱动程序的开发难度很大。本文介绍一种简单、快速开发USB接口应用系统的方法。它直接在LabVIEW环境下通过NI-VISA开发能驱动用户USB系统的应用程序，完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开发周期。
       1 NI-VISA简介
   
       NI-VISA(Virtual Instrument Software Architec-ture，以下简称为“VISA”)是美国国家仪器NI(National Instrument)公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口。VISA总线I／O软件是一个综合软件包，不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。VISA是虚拟仪器系统I／O接口软件。基于自底向上结构模型的VISA创造了一个统一形式的I／O控制函数集。一方面，对初学者或是简单任务的设计者来说，VISA提供了简单易用的控制函数集，在应用形式上相当简单；另一方面，对复杂系统的组建者来说，VISA提供了非常强大的仪器控制功能与资源管理。
      2 LabVIEW及其调用VISA的条件
   
        LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是NI公司开发的一种基于图形程序的编程语言。用户利用创建和调用子程序的方法编写程序，使创建的程序模块化，而且程序编制简单、直观。一个LabVIEW程序分为3部分：前面板、框图程序和图标／接线端口。前面板用于模拟真实仪器的前面板；框图程序是利用图形语言对前面板上的控件对象(分为控制量和指示量两种)进行控制；图标／接线端口用于把LabVIEW程序定义成一一个子程序，从而实现模块化编程。
   
       当进行USB通信时，VISA提供了两类函数供Lab-VIEW调用，USB INSTR设备与USB RAW设备。USBINSTR设备是符合USBTMC协议的USB设备，可以通过使用USB INSTR类函数控制，通信时无需配置NI-VISA；而USB RAW设备是指除了明确符合USBTMC规格的仪器之外的任何USB设备，通信时要配置NI-VISA。

       (1)配置NI-VISA的步骤
   
        ①使用Driver DevelopineInt Wizard(驱动程序开发向导)创建INF文档；
        ②安装INF文档，并安装使用INF文档的USB设备；
        ③使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互动控制工具)对设备进行测试，以证实USB设备已正确安装，并获得USB设备的各属性值。
详细过程可参考NI官方网站上免费提供的文档《使用NI-VISA控制USB设备》。

       (2)与NI-VISA相配合的LabVIEW横板中VI子节点
   
      ViOpen，打开并指定VISA resource name的设备的连接。
      ViProperty，VISA设备的属性子节点，可以设置端点或传输方式。
      ViWnte，向VISA resource name指定的设备写入数据。
      ViRead，从VISA resource name指定的设备读出数据。
      ViClose，结束设备读写并关闭与指定设备的连接。

      (3)USB RAW设备读写的操作次序
   
      USB RAW设备的读写次序如图l所示。

       下面以一个USB接口的温度采集系统为例，说明基于NI-VISA驱动的USB接口应用系统的设计与实现。
       3 系统硬件结构
   
       系统以Philips公司的增强型80C51单片机为核心，如图2所示。这是一个多点温度采集系统，核心器件是含有8 KB非易失Flash程序存储器的P89C52，与标准80C51完全兼容。USB通信控制芯片采用Philips公司的PDIUSBD12芯片(简称“D12”)。它是一款较新型的专用USB通信控制芯片，符合通用串行总线USBl．1版规范，内部集成有串行接口引擎SIE、320字节FIFO存储器、收发器和电压调节器。前端温度传感器采用Dallas公司生产的DSl8820。它是一线式数字温度传感器，直接以数字量输出给微处理器，可节省大量的引线和信号调理电路。DSl8820内部有一个光刻ROM。这个ROM中存有64位序列号。它可以看作足该DS18820的地址序列码，所以多路温度传感器可以挂在l条总线上，共同占用单片机的1条I／O线即可实现接口。在提升单片机I／O线驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数。

       D12与单片机的接口共有两种方式：多路地址／数据总线方式和单地址／数据总线方式。这里选择了单地址／数据总线方式，因此，D12的ALE接为低电平，而A0脚与P89C52X2的端口P3．3相连。该端口控制D12的命令和数据状态：A0=1，表示数据总线上是命令；A0=0，表示数据总线上是数据。D12的数据总线直接与P0口相连，D12的中断引脚INT_N与P89C52X2的INT0相连。当D12的外部巾断有一位为1时，INT_N输出低电平，触发P89C52X2的外部中断。因为系统未采用DMA，所以D12的DMAcK_N引脚接高电平，EOT_N引脚通过电阻接到USB的+5 V，以正确检测到USB连接；INT_N引脚加一个上拉电阻。因为D12有片内上电复位电路，故引脚RESET_N直接与电源引脚VCC相连。温度传感器DSl8820工作在外接电源工作方式，DQ引脚直接和P89C52X2的P1．0相连。

      3.1 系统的工作原理
   
       根据USB协议，任何传输都是由主机(host)开始的，单片机的前台工作就是等待。主机PC首先要发送令牌包给USB，D12接收到令牌包就给单片机发中断，单片机进入中断服务程序。首先读D12的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，然后执行相应的操作，因此，USB单片机程序主要就是中断服务程序的编写。在USB单片机程序中要完成对各种令牌包的响应，主要是对端口的编程。

       3.2 软件部分的设计
   
       系统的固件程序从功能上分为两部分，整个编程在Keil C环境下完成。

       (1)温度传感器D818820的读取程序
   
       DSl8820单线通信功能是分时实现的。它有很严格的时序要求，对它的操作必须按协议进行，即初始化→发ROM操作命令→发存储器操作命令→数据处理。

       (2)MCU和USB接口的通信程序
   
        本程序使用D12的端点l和端点2进行上位汁算机与MCU P89C52之间的命令和数据的传输。端点l和端点2设置成模式O(非同步方式)。其中端点1以中断传输方式进行命令的传输和应答，端点2以批量传输方式进行数据的传输。端点1接收上位机发送过来的读指令，端点2返回读成功数据。
   
       系统的固件程序编写以分层结构展开。它是一种积木式结构，如图3所示。

      ①硬件提取层：对单片机的I／O口、数据总线等硬件接口进行操作。
      ②PDIUSBD12命令接口：对D12器件进行操作的模块子程序集。
      ③中断服务程序：当D12向单片机发出中断请求时，读取D12中断传输来的数据，并设定事件标志“EPP-FLAGS”和Settup包数据缓冲区“CONROL_XFER”传输给主循环程序。
      ④标准设备请求处理程序：对USB的标准设备请求进行处理。
      ⑤厂商请求处理程序：对用户添加的厂商请求进行处理。
      ⑥主程序：发出USB数据传输请求，处理总线事件和调用用户自定义功能子程序。
   
       以NI-VISA为驱动的主机LabVIEW应用程序的设计，NI-VISA采用3．2版本，LabVIEW采用7．1版本。
   
       整个应用程序的主框架使用了WHILF循环来进行不断的查询。在程序的编写过程中，采用了类似Windows程序中的事件驱动机制，LabVIEW提供了这样的结构——事件结构。各个消息的产生利用了各种界面控件并由Case选择结构给出。程序框图如图4所示。

       为了便于说明USB操作次序，把图4中事件结构展开，有图5所示的具体USB操作次序。

       在图5中，USB RAW设备通信采用端点1以中断传输方式接收上位机操作命令，协议可以自己约定。端点2以批量传输方式给上位机发回温度数据。其中端点数“130”是对应十六进制数“0082”的十进制数，此数表示端点2批量输入；而端点数“1”则是对应十六进制数“0001”的十进制数，此数表示端点1中断输出。
   
       因为NI-VISA3．2版本不支持USB属性“中断输出”(interrupt out)，因此为了实现USB端点1的中断输出问题，这里把USB属性“批量输出”(bulk out pipe)和“VI Write”节点组合在一起，来实现端点l中断输出。从NI-VISA3．3起，可以直接利用“中断输出”(interruptout)属性来实现。
       结语
   
       经实践证明，采用基于NI-VISA驱动的USB接口应用系统的设计非常容易，开发难度低，对开发者的要求不高；开发出的系统稳定可靠，即使对Windows编程不熟悉的人也可以开发出USB应用系统，它提供了另一种开发USB驱动应用程序的捷径。