基于USB总线的多路同步数据采集系统

1． 引言
    通用串行总线（USB，Universal Serial Bus）是现代PC数据传输的发展趋势，
PC的所有外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、录音机、数字音响、电视机顶盒、数码相机、扫描仪、MODEM及各种多媒体音频、视频设备均可通过USB接口接入PC。USB总线同步数据采集系统即为这种总线接入系统。

2． 硬件方案
    本系统采用MAXIAM公司的MAX125四路12位同步采集芯片，只需一个
启动信号即可实现同步采集、数据转换，完成后给出一个转换完成信号，可从端口依次读取A/D转换数据，送入单片机处理；USB接口芯片采用PHILIPS 公司的PDIUSBD12，此芯片单片集成SIE、FIFO存储器、收发器及电压变换器，
并严格遵从USB1.1协议，PHILIPS SIE完成USB协议层，并且完全高速硬连接，无须任何软件干预。此模块功能包括：同步模式识别，并/串转换，位填充/解填充，CRC检验/产生，PID 确认/产生，地址识别，握手响应/产生；类似于控制其它接口芯片（如并口芯片）一样控制此接口芯片，单片机将A/D转换结果送至PIDUSBD12， PIDUSBD12将自动完成通过USB接口传输数据至PC的功能（按USB1.1协议），
具体实现电路如图1：

 

图1


图2

3． 软件接口程序
    虽然Win95 OSR2.1 支持USB，但微软推荐在win98或win2000上使用USB。软件部分由WDM驱动程序和应用程序组成。对于USB客户驱动程序，主要是与 USBDI打交道，下面的代码完成了对于IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE的响应。

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 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;

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

// 检查文件指针
if( FilePointer<0)
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;

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

if( FilePointer<0 || WriteLen<1)
status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
else
{
// 仅写一个字节
BytesTxd = 1;
PUCHAR pData = (PUCHAR)Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
UsbSendOutputReport( dx, *pData);
}

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

    应用程序采用标准的文件操作方法。使用CreateFile API打开文件。使用WriteFile API发出开始命令，启动ADC,使用ReadFile读回采样值。

4． 结束语
    USB数据采集系统设计上严格遵循USB1.1协议，实现了USB的即插即用特性，可热插拔，使用便捷；扩展能力强，可扩展多达127个外设，总带宽达12Mbs；实现容易，为特殊设计PC提供了一种简便易行的外设扩展方案。