一種USB接口的虛擬數據采集儀快速設計模板

摘要：為了快速開發性價比高的基于USB接口的虛擬數據采集儀，采用了NI-VISA和CH372芯片的方案搭建一個通用的模板，并以一個溫度信號的虛擬數據采集儀器的實例加以說明。實驗表明該模板降低了USB通信的復雜度，縮短了開發周期。

關鍵詞：USB;數據采集;虛擬儀器;NI-VISA;CH372

引言

構建USB接口的虛擬數據采集儀器常有如下方案：

①采用NI公司的USB數據采集模塊。該方案的特點是方便使用，但成本相對高。②采用非NI公司的USB數據采集模塊。通過調用廠商提供的二次開發包里面的動態鏈接庫，驅動數據采集。該方案比方案①成本低，但應用相對復雜。③采用數據采集器件+單片機+USB接口器件。

參考文獻通過涮用動態鏈接庫模塊來實現驅動設計。參考文獻通過NI-VISA方案來實現驅動設計，比參考文獻采用的方法方便易用。綜合比較，方案③從成本和開發速度上都具有很高的性價比。

本文旨在方案③的基礎上，搭建一個通用的模板。開發者只要在該模板的基礎上就可以快速開發性價比高的基于USB接口的數據采集系統。本文采用了NI-VISA和CH372 USB芯片的方案，并以一個溫度信號的虛擬數據采集儀器的實例加以說明。

1 CH372及其外圍電路

CH372是南京沁恒生產的一款USB總線芯片，它提供8位數據線及讀、寫、片選、中斷線各一條，內置USB通信底層協議，具有方便、簡單的內置固件模式和靈活的外置固件模式。內置固件模式下，芯片自動處理端點0的所有事務，本地單片機只需要負責處理數據交換即可，程序簡潔、簡單;外置固件模式下，由本地單片機負責處理各種USB請求，可以靈活地實現符合USB規范的設備。

圖1是CH372的外圍電路。D0～D7為芯片的數據I/O口，與STC89C52RC單片機的P0～P7相連;INT與單片機的P3.2相連;CS與單片機的P3.3相連;RD與單片機的P3.4相連;WR與單片機的P3.5相連;A0與單片機的P3.7相連。單片機采用的是11.059 2 MHz晶振。溫度傳感器采用DS18B20，它的數據線接單片機的P2.2口。

2 單片機軟件設計

CH372芯片專門用于處理USB通信，在接收到數據或者發送完數據后，CH372以中斷方式通知單片機進行處理。

單片機通過CH372芯片接收數據的處理步驟如下：

①當CH372接收到USB主機發來的數據后，首先鎖定當前USB緩沖區，防止被后續數據覆蓋，然后將INT引腳設置為低電平，向單片機請求中斷;

②單片機進入中斷服務程序，首先執行GET_STATUS命令獲取中斷狀態;

③CH372在GET_STATus命令完成后將INT引腳恢復為高電平，取消中斷請求;

④由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態是“下傳成功”，所以單片機執行RD_USB_DATA命令從CH372讀取接收到的數據;

⑤CH372在RD_USB_DATA命令完成后釋放當前緩沖區，從而可以繼續USB通信;

⑥單片機退出中斷服務程序。

單片機通過CH372芯片發送數據的處理步驟如下：

①單片機執行WR_USB_DATA命令向CH372寫入要發送的數據;

②CH372被動地等待USB主機在需要時取走數據;

③當USB主機取走數據后，CH372首先鎖定當前USB緩沖區，防止重復發送數據，然后將INT引腳設置為低電平，向單片機請求中斷;

④單片機進入中斷服務程序，首先執行GET_STATUS命令獲取中斷狀態;

⑤CH372在GET_STATUS命令完成后將INT引腳恢復為高電平，取消中斷請求;

⑥由于通過上述GET_STATUS命令獲取的中斷狀態是“上傳成功”，所以單片機執行WR_USB_DATA命令向CH372寫入另一組要發送的數據，如果沒有后續數據需要發送，那么單片機不必執行WR_USB_DATA命令;

⑦單片機執行UNLOCK_USB命令;

⑧CH372在UNLOCK_USB命令完成后釋放當前緩沖區，從而可以繼續USB通信;

⑨單片機退出中斷服務程序;

⑩如果單片機已經寫入了另一組要發送的數據，那么轉到步驟②，否則結束。

在內置固件模式的USB設備方式下，單片機只需要處理6種中斷狀態。為了進一步簡化USB通信，在本文的模板中只讓CH372處理如表1所列的兩種中斷狀態。

根據表1所列的兩種中斷狀態相關的讀寫操作指令如表2所列。

本文對CH372的底層驅動進行了高度的封裝，只提供一個接口給應用層，接口函數如表3所列。

從通用的角度考慮，本文對應用層的功能模塊劃分如下：

①USB設備初始化模塊。實現設置USB設備的廠商VID和產品PID，工作模式為內置固件模式，具體代碼如下：

④中斷服務模塊。兩種中斷狀態分別是端點2的OUT事務和端點2的IN事務。IN事務中斷表示上位機已經完成數據的接收，下一步讓單片機做什么就是中斷服務的內容。OUT事務中斷表示USB設備端已經完成數據的接收，下一步讓單片機端做什么就是中斷服務的內容。中斷服務模塊的偽代碼如下：

本文給出的實例是當單片機接收到上位機發送過來的“開始溫度采集”信號后，開始不斷啟動溫度的采集和往上位機發送溫度數據，直到收到上位機發送過來的“停止溫度采集”信號。本實例單片機端的主程序偽代碼如下：

在“中斷服務模塊”代碼中的端點2的OUT事務部分，讀取上位機發送過來的數據，從該數據中獲取信息，刷新“開始溫度采集”的標志，然后退出中斷。在單片機主程序里面可以根據對該標志的判斷來決定開始采集溫度還是暫停采集溫度。

3 上位機軟件設計

上位機的USB設備的驅動編寫采用的是NI-VISA圖形化的方法進行設置，詳細步驟見參考文獻。驅動編寫后，接下來就是采用LabVIEW 2012編寫上位機程序，上位機的運行界面如圖2所示。

其關鍵程序代碼如下：

①打開USB資源。該部分代碼如圖3所示。其中關鍵函數是圖3中所示的“VISA打開”函數。

②點擊運行界面上的“開始采集溫度”按鈕。實現上位機往CH372設備發送一個字符“1”。CH372設備接收后，觸發單片機中斷服務讀取該字符。讀取該字符后，刷新“開始采集溫度”的標志。在單片機的主程序中，根據該標志啟動溫度采集和往上位機發送溫度數據。因此，上位機程序中必須含有往CH372設備寫發送數據的操作和讀來自CH372設備數據的操作，該部分代碼如圖4所示。其中的關鍵函數是圖4所示的“VISA寫入”函數和“VISA讀取”函數。

結語

該模板采用CH372芯片的內置同件模式，屏蔽了USB通信的底層細節，大大降低了USB通信的復雜度。同時對CH372的操作細節進行了封裝，提供相應接口給應用層，開發者的設計只局限在應用層，大大降低了開發時間和難度。采用NI-VISA的圖形化配置的方法快速開發了USB設備的驅動，采用LabVIEW里面提供的函數方便實現USB設備打開和讀寫操作。因此，該模板能實現USB接口的虛擬數據采集儀的快速設計。