基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計

1、基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計                        摘要：針對傳統(tǒng)虛擬儀器不具有即插即用、熱插拔等功能，提出了基于系統(tǒng)和USB總線技術(shù)構(gòu)建嵌入式虛擬儀器的設計方案和具體實現(xiàn)。同時在分析傳統(tǒng)虛擬儀器不足的基礎上，構(gòu)建了基于USB總線的虛擬儀器體系。該嵌入式技術(shù)可以把虛擬儀器的硬件集成在嵌入式電路板上，軟件固化在Flash存儲器上

2、，完成A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及數(shù)字濾波和數(shù)字信號處理等功能，并給出了軟、硬件設計方案。設計的虛擬儀器具有智能化和良好的系統(tǒng)擴展性，是未來虛擬儀器發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，嵌入式系統(tǒng)，通用串行總線0引言虛擬儀器是以計算機作為測試儀器的硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件實現(xiàn)特定的測試功能，達到儀器的多功能快速切換，從而實現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現(xiàn)的功能。隨著后PC時代的來臨，業(yè)界對虛擬儀器的智能化和小型化的要求越來越高。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使得基于嵌入式微處理器和實時操作系統(tǒng)的嵌入式虛擬儀器能夠滿足惡劣工作環(huán)境下的便攜虛擬儀器的需要。同時，基于USB總線的儀器設備克服了現(xiàn)有PC總

3、線虛擬儀器的不足，具有即插即用、熱插拔的優(yōu)點，滿足自動化工業(yè)測量的要求，特別適合現(xiàn)場信號的測試。因此，基于嵌入式計算平臺和USB總線技術(shù)，設計具有數(shù)據(jù)融合和USB總線協(xié)議的通信能力的虛擬儀器成為構(gòu)建測試系統(tǒng)的新思路。1傳統(tǒng)虛擬儀器及其缺點目前比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)基本上是基于PCI/ISA總線的插卡式虛擬儀器。通過將特定的儀器功能制作在數(shù)據(jù)采集卡上，然后將其插入計算機的擴展槽中，在計算機的軟硬件支持下完成測試任務1。相對于傳統(tǒng)的儀器而言，虛擬儀器使用戶可以根據(jù)具體的應用需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，實現(xiàn)了儀器的定制化和多樣化。但是，基于PCI/ISA總線的虛擬儀器存在著明顯的缺點：一方面在插入數(shù)據(jù)

4、采集卡時需要打開主機箱，由于主機上的PCI插槽有限，直接接入主機的現(xiàn)場測試信號對計算機的安全造成很大的威脅;同時，計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，并且由于采用插卡模式，不便于與筆記本電腦相連，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號的測試;另一方面，由于通用PC機主要用于辦公室環(huán)境，它的電氣和機械設計不以工業(yè)應用為目的，系統(tǒng)的可靠性差。此外，通過PC機上的Windows操作系統(tǒng)不是實時多任務操作系統(tǒng)，是為了便于用戶管理和利用計算機資源而設計的。傳統(tǒng)虛擬儀器的測試不可避免地存在著丟失數(shù)據(jù)的危險。因此，實時性、可靠性比較差。2嵌入式虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟

5、硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)2。構(gòu)建基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬儀器需要解決的技術(shù)問題集中在系統(tǒng)平臺的構(gòu)建和特定的虛擬儀器應用程序的設計等方面。基于嵌入式軟/硬件環(huán)境，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1嵌入式虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺是嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序運行的硬件環(huán)境，它以嵌入式微處理器為中心，配置存儲器、輸入與輸出(I/O設備)、通信模塊等必要的外設，并根據(jù)特定的應用進行高效率地設計。針對虛擬儀器的特定應用，在以嵌入式微處理器為核心的基礎上，增加數(shù)字信號處理(DSP)芯片，對高速的數(shù)據(jù)流處理進行優(yōu)化和數(shù)學計算，具有獨立控制和實時處

6、理的優(yōu)點，可以使嵌入式微處理器從數(shù)據(jù)處理任務中解脫出來，更高效地完成其他任務，起到了加快數(shù)據(jù)采集和信號處理的作用。嵌入式系統(tǒng)中的軟件部分以嵌入式操作系統(tǒng)為核心，向上提供應用編程接口(API)，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包括BSP、USB驅(qū)動程序等。其中，嵌入式系統(tǒng)所使用的實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)，采用優(yōu)先級調(diào)度策略和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略的任務調(diào)度機制，能夠充分保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。虛擬儀器的應用程序是圖形化界面和人機接口層與外界進行通信的，主要功能是對系統(tǒng)的測量參數(shù)進行設置和測量數(shù)據(jù)波形顯示與分析?；谇度胧郊夹g(shù)，可以把虛擬儀器的硬件集成在嵌入式電路板上，軟件固化在Flash存儲器

7、上，完成A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及數(shù)字濾波和數(shù)字信號處理等功能。通過虛擬儀器的應用程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，實現(xiàn)不同場合的測試應用，從而依靠硬件設備的柔性來增強其適用性和靈活性。3基于USB總線的虛擬儀器系統(tǒng)基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接靈活的特點。可以采用星型的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)，如圖2所示。圖2嵌入式虛擬儀器的USB總線系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由PC機、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計按照智能模塊的設計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。利用USB總線的優(yōu)勢可以實現(xiàn)測試方案的靈活配置和測試功能的自由擴展，即當需

8、要添加新測試功能時，只需開發(fā)支持USB接口的相應測試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。USB系統(tǒng)中嵌入式虛擬儀器部分的USB總線接口和邏輯設備組合在一起就構(gòu)成了USB設備接口，提供了傳送和接收數(shù)據(jù)包的總線接口，并管理虛擬儀器設備的各種工作狀態(tài)。USB設備接口的開發(fā)是USB外設開發(fā)的關(guān)鍵，它涉及到USB協(xié)議和規(guī)范的具體實現(xiàn)。USB系統(tǒng)軟件中的USB驅(qū)動程序是開發(fā)的一個難點。虛擬儀器設備可以定義為人機接口設備(HID)類，這樣PC機可以直接使用Windows操作系統(tǒng)內(nèi)置的HID類驅(qū)動程序。PC機的通信應用程序使用VisualC+調(diào)用API函數(shù)和HID驅(qū)動程序進行通信，完成和嵌入式虛擬儀器通信的功能。當

9、插入嵌入式虛擬儀器時，主機檢測該設備并通過自動加載相關(guān)的驅(qū)動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。                             USB技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合在一起是計算機儀表領域研究的熱點，基于USB總線接口設計的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴展性。嵌入式虛擬儀器可以獨立完成特定的信號處理

10、和分析，又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起，構(gòu)建大型的測試系統(tǒng)，完成復雜的測試功能。圖3硬件邏輯圖4硬件系統(tǒng)設計嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分，詳見圖3。信號調(diào)理部分主要是為了使輸入的信號滿足采樣的電壓幅度，降低系統(tǒng)中影響信號質(zhì)量的噪聲干擾。模擬信號調(diào)理電路可以根據(jù)輸入的模擬信號頻率、幅度、通道數(shù)等選擇合適的芯片，設計時應充分考慮抗干擾的性能。在微處理器和USB控制器的設計有兩種方式可供選用：一種嵌入式微處理器加上專用的USB通信芯片組成;另一種是采用具有USB通信功能的嵌入式微處理器。此外，由于采樣速率

11、較高，因而需要設計大容量的緩存，可以在同樣采集頻率下保存較長的連續(xù)采樣信號，便于分析處理。該嵌入式虛擬儀器以三星公司的S3C44B0X微處理器為核心，該處理器基于ARM7TMDI內(nèi)核，并自帶8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。配以TI公司的TMS320C5416作為數(shù)字信號處理器，采用Philips公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。S3C44B0X微處理器與USB接口芯片PDIUSBD12通過并行接口進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)交換采用中斷方式。系統(tǒng)的工作原理如下所述：輸入信號首先進入模擬信號調(diào)理電路進行采樣，進而送入S3C44B0X微處理器的A/D模塊進行轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號存儲到系統(tǒng)的SDRAM

12、存儲器中。隨后，接口控制器PDIUSBD12從SDRAM存儲器里順序讀出數(shù)據(jù)并通過USB控制器發(fā)送到USB總線上，傳輸給PC機。同時，還可以在S3C44B0X微處理器控制下，利用DSP芯片進行數(shù)字濾波后，進行數(shù)字信號的分析和處理，并將結(jié)果在LCD上進行顯示。5軟件系統(tǒng)設計在嵌入式虛擬儀器中，將信號采集到系統(tǒng)中并不意味著任務已經(jīng)完成，還需要利用軟件完成信號分析的工作。因此，嵌入式虛擬儀器的軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、顯示以及USB通信等。軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。圖4嵌入式虛擬儀器的軟件流程圖虛擬儀器軟件的最大特點是模塊化，根據(jù)系統(tǒng)具體要求編制各子程序用于解決各個子任務，然后再將它們集成到

13、一套完整的應用系統(tǒng)中。虛擬儀器中有對多個輸入的信息進行數(shù)據(jù)融合的功能。如何由采集到的數(shù)據(jù)最大限度的提取出有用信號都屬于數(shù)據(jù)融合的范疇。可以采用的算法有：加權(quán)平均法、卡爾曼濾波、D2N證據(jù)推理法、最優(yōu)算法、遺傳算法等。此外，虛擬儀器應用程序還包括信號的頻域分析如DFT、FFT等頻譜分析功能，以及信號的時域處理包括數(shù)組數(shù)據(jù)的積分、微分、卷積和相關(guān)計算，以及統(tǒng)計分析計算、數(shù)值分析和計算和數(shù)字濾波器等。整個系統(tǒng)的USB驅(qū)動程序可分為兩部分：一部分是嵌入式虛擬儀器的USB驅(qū)動程序;另一部分是PC主機端的USB驅(qū)動程序。嵌入式虛擬儀器的USB驅(qū)動程序是軟件系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用來實現(xiàn)儀器硬件的通信

14、和控制功能。采用C語言在嵌入式開發(fā)平臺下進行驅(qū)動程序的設計。智能虛擬儀器的USB驅(qū)動程度應提供四種功能：從主機中接收數(shù)據(jù);向主機發(fā)送數(shù)據(jù);啟動和重新設定參數(shù)以及能夠產(chǎn)生同步的控制信號。為此，需要完成如下操作：設備復位，硬件初始化，配置PDIUSBD11的寄存器;通過讀取PDIUSBD11中斷輸出管腳的狀態(tài)，判斷是否有PDIUSBD11中斷;如果有中斷，則讀取PDIUSBD11中斷寄存器，否則，轉(zhuǎn)步驟;進入中斷處理程序，根據(jù)中斷的類型，執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)傳輸操作;判斷設備是否需要掛起，若是，則將設備掛起，直到被USB總線喚醒;重復執(zhí)行步驟。PC主機端的USB驅(qū)動程序由USB主機控制器(HCD)、US

15、B驅(qū)動(USBD)和USB設備驅(qū)動程序組成。USBD和HCD稱為USB系統(tǒng)軟件，完成USB協(xié)議相關(guān)的操作和USB設備的總線枚舉，一般由操作系統(tǒng)提供。針對本嵌入式虛擬儀器的USB設備驅(qū)動程序可以按照HID類的規(guī)范進行驅(qū)動程序的編制，主要完成與USBD軟件層接口以及管理設備的數(shù)據(jù)通信管道等工作，實現(xiàn)USB設備的一些特定初始化工作，并將用戶應用程序的請求轉(zhuǎn)化為對相應USBD驅(qū)動程度的調(diào)用。通過對用戶應用程序提供API函數(shù)，從而屏蔽USB實現(xiàn)的細節(jié)。另外，為了擴展嵌入式虛擬儀器的功能，充分利用已有的虛擬儀器的技術(shù)，可以采用PC機作為嵌入式虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理和協(xié)調(diào)中心，構(gòu)建基于USB總線的分布式測試系統(tǒng)。這時，PC機作為虛擬儀器平臺來分析、處理和顯示數(shù)據(jù)，其高級開發(fā)語言采用Lab2View，提供人機交互、顯示多窗口虛擬儀器界面、提供測試控制、數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出，并模擬產(chǎn)品面板，實現(xiàn)仿真功能。這是一般的虛擬儀器研究的內(nèi)容，在此不作詳細討論。6結(jié)束語虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)和電子儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，正向著智能化、開放式體系結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。本文提出的基于嵌入式計算平臺和USB總線技術(shù)的嵌入式虛擬儀器符合這一發(fā)展趨勢，具有很好的開發(fā)與應用前景。參考文獻1楊樂平。虛擬儀器技術(shù)概論M。北京：電子工業(yè)出版社