USB总线数据采集设备驱动程序的设计

摘要：结合基于USB总线的数据采集设备，介绍了WDM驱动程序的工作原理，设计原则和设计方法，并给出一个实现块传输的USB设备驱动程序例程，详细的介绍了该例程的各个功能模块。该例程性能稳定，传输可靠，已应用于数据采集设备中。对系统的性能进行测试的结果表明：数据的传输过程达到了设计的要求。驱动程序设计过程的详细介绍对USB专用设备驱动程序的设计和开发具有良好的参考应用价值。
关键词：USB2．0协议；数据采集；WDM驱动程序

0 引言
    随着计算机应用技术的发展，虚拟仪器、自动测试系统、自动控制等领域，均越来越多的应用计算机来进行数据处理。USB总线标准的提出，解决了计算机传统I／O接口通用性差、不易扩展、易受计算机插槽数量、地址和中断资源的限制等缺点，使计算机在测控领域的重要性与日俱增，也使USB总线在数采测控业界备受关注，并在各种测控设备中迅速发展，但专用的USB设备不能像鼠标、键盘等HID类设备一样使用Windows系统提供的标准驱动程序，而是需要开发专用的驱动程序。开发驱动程序与开发Windows应用程序完全不同，驱动程序以系统的内核模式运行，任何细小的错误都可能引起操作系统的崩溃。因此，专用设备驱动程序开发的复杂性，成为了USB总线在该领域发展的瓶颈。随着军事装备自动化、数字化、智能化程度越来越高，一种更为简便的驱动程序开发方法的探讨十分有益。基于军用电站检测仪中USB数据采集模块的开发，介绍了USB专用设备驱动程序开发的一般过程。

1 WDM驱动程序概述
    WDM(windows driver mode)是微软推出的一种驱动程序模型，以简化驱动程序的开发。它采用分层驱动的方式，即在应用程序和物理设备之间存在着几个不同层次的驱动程序，且各层驱动程序有不同的优先级，每个驱动程序对应一层，不同层上的驱动程序可以相互调用。USB系统的组成如图1所示：应用程序通过API函数调用Win32系统子函数，驱动程序分为设备驱动程序，总线驱动程序(USBD)和主控制器驱动程序(HCD)三层，它们均运行在系统的内核模式。设备驱动程序使用IRP(I／ORequest Packet)通过总线驱动程序提供的软件接口(USBDI，USB Driver Interface)向总线驱动程序发出I／O请求，并根据数据传输方向提供一个或空或满的内存缓冲区；USBD负责管理数据的总线传输，也有设备驱动程序与其他软件接口的功能单元进行通信，没有直接调用USBD，但总有一个更低层的驱动软件发生USBD调用。主控制器驱动程序处在USB系统软件的最底层，直接与主控制器的硬件通信，它提供了只有总线驱动程序才能访问的主控制器驱动程序软件接口HCDI(Host Control Driver Interface)。其中，总线驱动程序和主控制器驱动程序是系统的底层驱动程序。设备驱动程序是针对某一USB设备的专用驱动程序。

2 数据采集设备驱动程序的开发
    Windows为USB设备提供了底层驱动程序，与底层驱动程序接口的是I／O请求包(IRP)，Windows为应用程序提供的接口则是API函数。因此必须在它们之间建立一个驱动程序，在底层驱动与Win32应用程序之间传递消息，即设备驱动程序。VC++、VB等软件开发的应用程序，在设备驱动程序的支持下，都可以调用ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()等API函数向设备传递主机请求。Windows系统自动将API调用转化为IRP，设备驱动程序把它向下层驱动传递。直到完成其所指定的功能再沿驱动程序栈返回主机。
    设备驱动程序的开发
    开发设备驱动程序一般采用以下几种方法：1)直接使用Windows DDK，这种方法开发难度较大，设计者必须对整个体系结构有很好的理解和把握。2)使用Driver Studio，该工具软件可为设计者提供驱动程序的整体框架，设计者只需要专心于功能代码设计。3)使用win Driver，这种方法开发驱动程序很容易，但工作效率不是很高。这里采用第二种方法。
    Driver Studio生成驱动程序框架主要由两个类组成，一个是Driver类，另一个是Device类Driver类。
    1)Driver类用于初始化驱动程序，它包括：入口函数Driver Entry和Add Device函数。当设备驱动程序被加载时，操作系统调用Driver Entry函数；当创建设备对象并把它连接到设备堆栈时调用Add Device函数。函数代码如下：

    2)Device类是设备类KDvice的派生类，这个类包含了电源管理、设备读写、设备控制等具有特定功能的例程。限于篇幅只介绍批量读写端点函数。

    INF文件的编写
    INF文件是一个文本文件，它含有安装一个设备驱动程序需要的所有必需的安装信息。包括要复制的文件列表，要创建的注册表项等。用以告诉系统安装哪一个驱动程序，INF文件由若干区段组成，下面列出几个区段及其功用：
    1)Version区段是INF文件的开始，其Class和ClassGuid指出了驱动程序所属的设备类别及设备的GUID。GUID(Global Unique Identi-fier)用以标识不同的驱动程序，它是全局且唯一的，系统就是通过GUID把应用程序的I／O请求传达给相应的驱动程序的。
    2)Mantifacturer区段指明供应商及其对应Models字节的名称。
    3)Install．AddReg／Install．Services指明注册表添加内容及安装驱动的详细信息。
    该驱动程序应用于数据采集模块采集电站的电压信号，部分采集数据如表1所示：

    测量误差主要来源于模块的A／D，与驱动无关系，数据传输结果表明：数据可以在该驱动下及时正确的传输，模块工作正常。

3 结束语
    该设备驱动程序用于电站检测仪中USB数据采集模块的效果良好，用这种方法提高了开发效率，缩短了开发周期，使开发者可将主要精力集中于实现设备功能上，为非软件专业开发者开发基于USB总线的检测仪驱动提供了很好的借鉴。也为USB总线在测控领域的应用开创了光明的前景。相信以计算机为数据处理核心，以USB总线为数据通信方法的测控仪器将成为测控业发展主流。