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基于USB接口的儀器儀表通信技術
USB(universal serial bus)即通用串行總線，它是一種應用在PC領域的新型接口技術。隨著支持USB標準Windows98的出現(xiàn)和USB設備數(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USB端口可同時支持全速和低速的設備訪問。目前，USB在自動化控制領域主要用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由PC作為USB主機端，單片機作為USB設備端。
USB數(shù)據(jù)傳輸方式USB通過主機上客戶軟件的內(nèi)存緩沖區(qū)和USB設備上端點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間間隔，常被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或4《自動化儀表》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)傳輸率的即時應用中;中斷傳輸主要用來支持那些偶爾需要對少量數(shù)據(jù)進行通信，但服務時間卻受限的設備;批量傳輸主要用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸，同時又沒有帶寬和時間間隔的要求，但是USB只能在滿足帶寬的情況下才進行批量傳輸。
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，它必須由一個外部單片機來控制。通過USB接口器件可以把USB端口接到任何類型的單片機上，這種實現(xiàn)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。
目前市場上已有很多公司提供USB接口器件，Philips公司的PDIUSBD12是一款性價比高、帶并行總線的USB接口器件，它集成了SIE(串行接口引擎)、FI-FO(先進先出)存儲器、收發(fā)器及電壓調(diào)節(jié)器，可與任何單片機實現(xiàn)高速并行接口;其主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)的吞吐量，從而可以輕松地實現(xiàn)實時數(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USB應用的日益廣泛和流行，Intel、Cypress等單片機廠商推出了具有USB接口的單片機，這類單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D、D/A，采用這類單片機構成系統(tǒng)的電路簡單、調(diào)試方便、電磁兼容性好。因此采用具有USB接口的單片機成了開發(fā)USB外設的較好方案。不過由于增加了USB接口，這類單片機與原先的開發(fā)系統(tǒng)一般不完全兼容，需要購買新的開發(fā)套件，需要新的投資。
Cypress半導體公司作為USB市場的著名廠商，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個增強型8051單片機、1個串行接口引擎(SIE)、1個USB收發(fā)器、片上RAM、FIFO存儲器以及1個通用可編程接口。FX2提供了一個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)品的上市時間。
FX2擁有一個獨特的架構，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(nèi)容，因此外設產(chǎn)品設計人員不必為增加產(chǎn)品的USB功能而學習USB協(xié)議，從而使產(chǎn)品開發(fā)變得更加容易，同時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"無膠粘接"，即可與任何ASIC或DSP進行接口，并且它還支持所有通用總線標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。FX2完全適用于USB2。0，并向下兼容USB1.1。
USB在測控領域的應用2001年9月的《Test andMeasurement World》進行了一次針對測量應用中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)的驅動程序部分。對于單片機控制程序，由于目前沒有任何廠商提供自動生成固件(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，其任務是可以中斷的;③中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(host)開始的，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，單片機進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就是相對應的中斷服務程序。
對于主機部分的軟件設計，Windows98已提供多種USB設備的驅動程序，但還沒有一種是專門針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對特定的設備來編制驅動程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標準接口函數(shù)，但編制驅動程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用WindowsDDK來實現(xiàn)。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術來說，USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驅動程序不同，它屬于WDM類型。
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