基于USB總線的多路同步數據采集系統

1． 引言
通用串行總線（USB，Universal Serial Bus）是現代PC數據傳輸的發展趨勢，
PC的所有外設，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、錄音機、數字音響、電視機頂盒、數碼相機、掃描儀、MODEM及各種多媒體音頻、視頻設備均可通過USB接口接入PC。USB總線同步數據采集系統即為這種總線接入系統。

2． 硬件方案
本系統采用MAXIAM公司的MAX125四路12位同步采集芯片，只需一個
啟動信號即可實現同步采集、數據轉換，完成后給出一個轉換完成信號，可從端口依次讀取A/D轉換數據，送入單片機處理；USB接口芯片采用PHILIPS 公司的PDIUSBD12，此芯片單片集成SIE、FIFO存儲器、收發器及電壓變換器，
并嚴格遵從USB1.1協議，PHILIPS SIE完成USB協議層，并且完全高速硬連接，無須任何軟件干預。此模塊功能包括：同步模式識別，并/串轉換，位填充/解填充，CRC檢驗/產生，PID 確認/產生，地址識別，握手響應/產生；類似于控制其它接口芯片（如并口芯片）一樣控制此接口芯片，單片機將A/D轉換結果送至PIDUSBD12， PIDUSBD12將自動完成通過USB接口傳輸數據至PC的功能（按USB1.1協議），
具體實現電路如圖1：



圖1


圖2

3． 軟件接口程序
雖然Win95 OSR2.1 支持USB，但微軟推薦在win98或win2000上使用USB。軟件部分由WDM驅動程序和應用程序組成。對于USB客戶驅動程序，主要是與 USBDI打交道，下面的代碼完成了對于IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的響應。

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// UsbgatherRead:
//
// Description:
// Handle IRP_MJ_READ requests
//
// Arguments:
// Pointer to our FDO
// Pointer to the IRP
// IrpStack->Parameters.Read.xxx has read parameters
// User buffer at: AssociatedIrp.SystemBuffer (buffered I/O)
// MdlAddress (direct I/O)
//
// Return Value:
// This function returns STATUS_XXX

NTSTATUS UsbgatherRead( IN PDEVICE_OBJECT fdo,
IN PIRP Irp)
{
PUSBgather_DEVICE_EXTENSION dx = (PUSBgather_DEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension;
if( dx->IODisabled)
return CompleteIrp( Irp, STATUS_DEVICE_NOT_CONNECTED, 0);
if (!LockDevice(dx))
return CompleteIrp( Irp, STATUS_DELETE_PENDING, 0);

PIO_STACK_LOCATION IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
ULONG BytesTxd = 0;

// 得到參數
LONGLONG FilePointer = IrpStack->Parameters.Read.ByteOffset.QuadPart;
ULONG ReadLen = IrpStack->Parameters.Read.Length;

// 檢查文件指針
if( FilePointer0)
status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
else
{
status = UsbDoInterruptTransfer( dx, Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer, ReadLen);
BytesTxd = ReadLen;
}

// 完成 IRP
CompleteIrp(Irp,status,BytesTxd);
UnlockDevice(dx);
return status;
}

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// UsbgatherWrite:
//
// Description:
// Handle IRP_MJ_WRITE requests
//
// Arguments:
// Pointer to our FDO
// Pointer to the IRP
// IrpStack->Parameters.Write.xxx has write parameters
// User buffer at: AssociatedIrp.SystemBuffer (buffered I/O)
// MdlAddress (direct I/O)
//
// Return Value:
// This function returns STATUS_XXX

NTSTATUS UsbgatherWrite( IN PDEVICE_OBJECT fdo,
IN PIRP Irp)
{
PUSBgather_DEVICE_EXTENSION dx = (PUSBgather_DEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension;
if( dx->IODisabled)
return CompleteIrp( Irp, STATUS_DEVICE_NOT_CONNECTED, 0);
if (!LockDevice(dx))
return CompleteIrp( Irp, STATUS_DELETE_PENDING, 0);

PIO_STACK_LOCATION IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
ULONG BytesTxd = 0;

// 得到參數
LONGLONG FilePointer = IrpStack->Parameters.Write.ByteOffset.QuadPart;
ULONG WriteLen = IrpStack->Parameters.Write.Length;

if( FilePointer0 || WriteLen1)
status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
else
{
// 僅寫一個字節
BytesTxd = 1;
PUCHAR pData = (PUCHAR)Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
UsbSendOutputReport( dx, *pData);
}

// 完成 IRP
CompleteIrp(Irp,status,BytesTxd);
UnlockDevice(dx);
return status;
}

應用程序采用標準的文件操作方法。使用CreateFile API打開文件。使用WriteFile API發出開始命令，啟動ADC,使用ReadFile讀回采樣值。

4． 結束語
USB數據采集系統設計上嚴格遵循USB1.1協議，實現了USB的即插即用特性，可熱插拔，使用便捷；擴展能力強，可擴展多達127個外設，總帶寬達12Mbs；實現容易，為特殊設計PC提供了一種簡便易行的外設擴展方案。