數(shù)據(jù)采集廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè),、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域,。目前,，有各種數(shù)據(jù)采集卡或采集系統(tǒng)可供選擇，但由于數(shù)據(jù)源以及用戶需求的多樣性,，有時(shí)并不能滿足要求,。特別是在某些應(yīng)用中，需要同時(shí)高速采集多個(gè)通道的數(shù)據(jù),，而且為了分析比較各通道信號(hào)間的相互關(guān)系,，常常要求所有通道的采集必須同步。目前常用的數(shù)據(jù)采集卡是具有ISA總線,、PCI總線等接口形式的A/D采集卡,，雖然數(shù)據(jù)傳輸率很高，但是還存在整個(gè)系統(tǒng)笨重,，缺乏靈活性,，不能實(shí)現(xiàn)即插即用，不適合小型,、便攜設(shè)備應(yīng)用等缺點(diǎn),。通用串行總線(USB)是為了解決日益增加的PC機(jī)外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB的出現(xiàn)很好地解決了以上問題,。USB不僅具有快速的傳輸性能,，而且USB協(xié)議本身具有其糾錯(cuò)能力，它的即插即用模式和易擴(kuò)展性能都具有很強(qiáng)的發(fā)展前途和應(yīng)用價(jià)值[1],。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求,，本文設(shè)計(jì)了一種基于ISP1581的高速USB多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)最高采樣率每通道可達(dá)500 K字，并且具有增益控制調(diào)節(jié),、外觸發(fā)同步采集等功能,目前該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某水下定位系統(tǒng)[2],。
1 系統(tǒng)硬件組成
    如圖1所示，系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路模塊,、A/D采集模塊,、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊三個(gè)部分組成。

1.1 信號(hào)調(diào)理電路模塊
　由于從傳感器進(jìn)來的信號(hào)一般都比較小(大約在微伏量級(jí)),，A/D無法直接對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集,，需要通過信號(hào)調(diào)理電路模塊對(duì)其進(jìn)行放大，以滿足A/D采集的量程范圍,。另外,由于信號(hào)容易受到外界噪聲以及電噪聲的干擾,，通過信號(hào)調(diào)理電路所具有的濾波功能，可以濾除信號(hào)頻帶外的噪聲,。
1.2 A/D采集模塊
　A/D采集模塊由1片F(xiàn)PGA和2片A/D組成,，完成4路信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的是AD7655芯片,。AD7655是一款高速,、低功耗4通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采用5 V單電源供電，模擬輸入信號(hào)范圍為0 V~5 V;高輸入阻抗,，可對(duì)4路模擬輸入同時(shí)高速采樣并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換,，采樣速率最高可達(dá)1 MS/s,，支持并行或串行接口,。由于本采集系統(tǒng)要求對(duì)各路信號(hào)的相位嚴(yán)格一致，而AD7655只能同時(shí)對(duì)4個(gè)通道中的2路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣,，因此,，1片A/D僅連接了2路模擬信號(hào)。另外,為了保證所有通道信號(hào)的相位一致性,，2片A/D需要使用同一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換的進(jìn)行,，故在電路連接時(shí)，把每個(gè)A/D芯片的轉(zhuǎn)換信號(hào)(CNVST)管腳連接在一起,，然后連接到FPGA上的轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出管腳上,，由FPGA輸出的轉(zhuǎn)換信號(hào)驅(qū)動(dòng)。FPGA與A/D之間的數(shù)據(jù)讀取采用總線的方式,，將每一片A/D的讀控制信號(hào)都獨(dú)立連接到FPGA上,，由FPGA控制各路采樣數(shù)據(jù)的讀取。采集電路連接如圖2所示,。

1.3 USB數(shù)據(jù)傳輸模塊
　USB數(shù)據(jù)傳輸模塊是本系統(tǒng)的核心,。要開發(fā)USB功能設(shè)備，首先需要對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行全面了解，包括數(shù)據(jù)傳輸速率,、傳輸類型,、所需要的硬件資源等。在充分了解設(shè)計(jì)的產(chǎn)品后,，要選擇合適的USB接口芯片,，如果選擇得好，可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用,。
　USB接口芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器,，能自動(dòng)對(duì)各種USB事件作出響應(yīng)，以處理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸,。所有的主機(jī)和設(shè)備上都至少含有1塊實(shí)現(xiàn)其功能的USB接口芯片,。按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，USB接口芯片有如下幾種分類方式,，以功能分類則可以分為：主控制器芯片,、集線器芯片、功能設(shè)備芯片,；以使用方式進(jìn)行分類則可以分為：帶USB接口的專用MCU,、帶USB接口的通用MCU、純粹的USB接口芯片,。
　本設(shè)計(jì)中選用了Philips公司的USB2.0接口芯片ISP1581,，該芯片屬于純粹的USB接口芯片。這類USB接口芯片價(jià)格較低,，接口方便,，靈活性高，針對(duì)不同的硬件環(huán)境可以配合多種MCU使用,，如單片機(jī),、DSP、FPGA[3-4],。ISP1581支持2種工作模式：通用處理器模式和斷開總線模式,。本設(shè)計(jì)中采用DSP來控制ISP1581，連接方式選用通用處理器模式,，原理圖如圖3所示,。

2 USB接口軟件開發(fā)
　軟件分為USB固件程序開發(fā)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)兩大部分。
2.1 USB固件程序開發(fā)
　所有基于微處理器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開固件的參與,，固件的作用就是輔助硬件,即控制硬件來完成預(yù)期的功能,，如沒有固件的參與和控制，硬件設(shè)備只是芯片簡(jiǎn)單的堆砌,，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能,如同一臺(tái)沒有安裝操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),，無法正常工作,。因此，用戶必須編寫固件程序來輔助硬件完成USB通信任務(wù)[5],。具體如下：
    (1)初始化,。主要是設(shè)置一些特殊寄存器的初值，以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備屬性或功能,，例如開中斷,、使能端點(diǎn)、配置端口等,。
　(2)輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉（ReNumeration）過程,。包括模擬設(shè)備的斷開與重新連接，對(duì)收到的設(shè)置包進(jìn)行分析判斷,，從而對(duì)主設(shè)備請(qǐng)求做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),，完成對(duì)設(shè)備的配置任務(wù)。
　(3)對(duì)中斷的處理,。
　(4)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,。
　(5)外圍電路的控制。
　固件程序設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)模式,，采用模塊化設(shè)計(jì),，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　各模塊的主要功能如下：
　(1)主程序：完成DSP及USB接口芯片的初始化,、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收標(biāo)志位的判斷及中斷請(qǐng)求等待,。
　(2)中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序是整個(gè)固件程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先通過讀取ISP1581中斷寄存器的值判斷所發(fā)生中斷的類型,，然后根據(jù)具體的中斷類型進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序或設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位,。中斷服務(wù)程序中需要處理的有總線復(fù)位中斷、高速狀態(tài)變化中斷,、SETUP中斷及端點(diǎn)的IN/OUT中斷,。在所有的中斷處理程序中,EP0SETUP中斷處理是最重要的,它是USB設(shè)備與PC機(jī)間建立通信鏈路的基礎(chǔ),。
　(3)請(qǐng)求處理程序：USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序負(fù)責(zé)處理枚舉階段主機(jī)發(fā)給設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,，以及正常工作時(shí)主機(jī)發(fā)送的廠商請(qǐng)求。USB2.0協(xié)議中規(guī)定了11種USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,，對(duì)這11種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求作出正確的響應(yīng)是設(shè)備成功枚舉的重中之重,。當(dāng)固件接收到第1個(gè)SETUP中斷后，就進(jìn)入U(xiǎn)SB枚舉過程,，其過程是由主機(jī)發(fā)出一系列USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求并要求及時(shí)得到設(shè)備響應(yīng),，如果不需要進(jìn)行操作，也必須指示一個(gè)空響應(yīng),，使主機(jī)能為該設(shè)備準(zhǔn)備其所請(qǐng)求的資源,，建立好兩者之間的信息溝通機(jī)制,。
　(4)數(shù)據(jù)接收/發(fā)送程序：當(dāng)用戶通過主機(jī)端應(yīng)用程序向設(shè)備索要數(shù)據(jù)或向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DSP調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收,。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程如下：
　發(fā)送數(shù)據(jù)：選擇端點(diǎn)索引→寫發(fā)送緩沖區(qū)長度寄存器→寫發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)端口寄存器→等待發(fā)送完畢標(biāo)志,。
   接收數(shù)據(jù)：選擇端點(diǎn)索引→讀接收緩沖區(qū)長度寄存器→從數(shù)據(jù)端口寄存器讀取接收到的數(shù)據(jù)。
　(5)硬件接口訪問程序：硬件接口程序負(fù)責(zé)完成DSP對(duì)ISP1581的讀寫操作,，它是整個(gè)固件程序中最底層也是使用最頻繁的部分,，在這里主要定義了2種類型的函數(shù)：ISP1581常用寄存器訪問函數(shù)和數(shù)據(jù)端口寄存器訪問函數(shù)。
　常用寄存器訪問函數(shù)：
　void outport(unsigned int *reg_addr, unsigned short value),；
　unsigned short inport(unsigned int *reg_addr),；
　數(shù)據(jù)端口寄存器訪問函數(shù)：
　void write_ep(unsigned short *addr, unsigned short size)；
　unsigned short read_ep(unsigned short *addr),；
　write_ep為寫端點(diǎn)發(fā)送緩沖區(qū)函數(shù),，其中參數(shù)*addr為指向待發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址指針，參數(shù)size為要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),；read_ep為讀端點(diǎn)接收緩沖區(qū)函數(shù),，參數(shù)含義與write_ep函數(shù)相同，返回值為接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),。
2.2 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
　Windows環(huán)境下驅(qū)動(dòng)程序有3種模型：VxD模型,、KMD模型、WDM模型,。WDM模型是微軟力推的全新驅(qū)動(dòng)程序模型,，現(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)都是采用基于WDM模型的驅(qū)動(dòng)程序，因此本采集系統(tǒng)也采用WDM驅(qū)動(dòng)程序模型來開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序[6],。
　對(duì)于USB設(shè)備,，其WDM驅(qū)動(dòng)程序分為USB底層（總線）驅(qū)動(dòng)程序和USB功能（設(shè)備）驅(qū)動(dòng)程序。USB底層驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供,，負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道,，實(shí)現(xiàn)底層通信。USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫,，不對(duì)實(shí)際的硬件進(jìn)行操作,，而是通過向USB底層驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含請(qǐng)求塊URB（USB Request Block）的IRP,，以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。
　目前，WDM驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具有3種：Microsoft公司的DDK,、Numega公司的DriverStudio和Jungo公司的WinDriver,。其中,，DDK的開發(fā)難度較大,，開發(fā)者需要對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)和WDM規(guī)范有很好的理解和把握，還要熟悉上千個(gè)DDK函數(shù)的功能和使用場(chǎng)合,，且測(cè)試流程繁瑣,；DriverStudio的開發(fā)難度低一些,，它將DDK函數(shù)按照邏輯功能進(jìn)行組織，把很多常用功能封裝成類,，建立了一個(gè)基于C++語言的面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境,，開發(fā)者面對(duì)的不再是上千個(gè)復(fù)雜凌亂的DDK函數(shù)，而是邏輯清晰的類庫,；WinDriver的開發(fā)幾乎沒有難度,，開發(fā)者所編寫的只是定制和調(diào)用它提供的通用驅(qū)動(dòng)，開發(fā)周期較短,，特別適合于驅(qū)動(dòng)程序初學(xué)者使用,。
　利用WinDriver開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，有2種方法：(1)用Wizard自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序的框架代碼,，根據(jù)實(shí)際要求修改代碼,，加入定制的功能，再在用戶態(tài)執(zhí)行和調(diào)試代碼,，并將性能要求苛刻的部分插入到核心態(tài),，從而完成整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的編寫。在使用這種方法時(shí),，WinDriver已經(jīng)完成了驅(qū)動(dòng)程序編寫的大部分工作,，減少了工作量，使編寫驅(qū)動(dòng)成為相對(duì)較簡(jiǎn)單,。但此方法生成的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,，其通用性和可移植性較差；(2)完全用WinDriver提供的API函數(shù)來寫驅(qū)動(dòng)程序,。這樣要比修改由Wizard生成的框架代碼靈活得多,，并且編寫的程序更簡(jiǎn)短。但這要求開發(fā)者熟悉驅(qū)動(dòng)程序的框架,，能熟練運(yùn)用WinDriver API函數(shù),。
　為了縮短開發(fā)周期，在實(shí)際應(yīng)用中選用了第1種方法生成驅(qū)動(dòng)程序,。具體步驟如下：
　(1) 啟動(dòng)Driver Wizard,，檢測(cè)連接的USB設(shè)備，生成inf文件,，這個(gè)inf文件和WinDriver包含的windrvr6.sys一起,，就是新開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,。
　(2) 點(diǎn)擊Next按鈕,，進(jìn)入資源列表窗口，窗口中顯示了管道（Pipe）的一些基本信息,。此窗口還可以用于對(duì)外設(shè)進(jìn)行讀寫,，測(cè)試硬件資源的正確性,，窗口中的Log部分即為測(cè)試結(jié)果。
　(3) 點(diǎn)擊Next按鈕,，進(jìn)入代碼生成窗口,，在窗口中選擇生成C語言代碼。之后Driver Wizard將自動(dòng)生成針對(duì)ISP1581的樣本程序和工程文件(包括代碼文件,、說明文件以及適用于VC++編譯器的項(xiàng)目文件),。
　(4)重新安裝這個(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,利用DriverWizard生成的文件，就可開發(fā)應(yīng)用程序了,。
　經(jīng)過反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn),，在現(xiàn)有硬件上批量傳輸?shù)乃俣仍?0 Mb/s左右，可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)采樣頻率為500 kHz時(shí)的數(shù)據(jù)采集要求,，即500K×4路×16=32 Mb/s,。但與USB2.0規(guī)范的極限速度相比,現(xiàn)有的批量傳輸速度還不及其13%，分析其原因：
　(1) USB2.0規(guī)范定義的最大速度為480 Mb/s,，但它是包含令牌包在內(nèi)的傳輸,，因此,若扣除通信協(xié)議中的令牌，實(shí)際傳輸速度要遠(yuǎn)低于480 Mb/s,。
　(2) 從訪問寄存器的時(shí)序參數(shù)可以看出,，讀/寫周期最小為80 ns，即DSP對(duì)ISP1581讀寫的最高頻率是12.5 MHz,，由于每次讀寫操作的數(shù)據(jù)為2 B,，所以DSP與接口芯片之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俾适?5 MB/s，最后的實(shí)際值應(yīng)該小于此值,。
　(3) 利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng),，事實(shí)上它只是定制和調(diào)用WinDriver提供的通用驅(qū)動(dòng)而已，所以并非有針對(duì)性地對(duì)特定硬件編程,，程序執(zhí)行效率上也不免大打折扣,。
　(4) 計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的通信中還包含對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤的寫操作，使用測(cè)試軟件對(duì)所用機(jī)器硬盤進(jìn)行寫測(cè)試,，測(cè)得平均速度在22～25 MB/s之間,，因此硬盤的寫速度也是影響USB數(shù)據(jù)傳輸速度的原因之一。
    因此若想在現(xiàn)有硬件平臺(tái)上獲得更高的速度可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行:采用端點(diǎn)的雙緩沖模式,、采用ISP1581的DMA模式,、采用效率更高的驅(qū)動(dòng)開發(fā)方式及優(yōu)化固件程序以提高硬件的工作效率等。
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