原创 基于NI-VISA与LabVIEW的 USB接口应用设计

引 言

USB(Universal Serial Bus)接口是近年来应用在PC领域的新型接口技术。它基于单一的总线接口技术来满足多种应用领域的需求;它的即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大地方便了用户的使用,已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。

传统的开发USB应用系统的步骤是,先用WINDOWSDDK(设备驱动程序开发包)或第三方开发工具(如DriverSt LJdic))开发LJSB驱动程序,然后用Visual C++编写DLL(动态连接库),最后再调有DLL来开发应用程序。显然,这对windows编程不熟悉的人来说有一定的难度,何况USB驱动程序的开发难度很大。本文介绍一种简单、快速开发USB接口应用系统的方法。它直接在LabVIEW环境下通过NI-VISA开发能驱动用户USB系统的应用程序,完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性,大大缩短了开发周期。

1 N1-VISA简介

NI-VISA(Virtual INSTRUMENT SOFTWARE Architecture,以下简称为"VISA")是美国国家仪器NI(National1nstrLlrnent)公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口。VISA总线1/()软件是一个综合软件包,不受平台、总线和环境的限制,可用来对USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。VISA是虚拟仪器系统I/O接口软件。基于自底向上结构模型的VISA创造了一个统一形式的I/O控制函数集。一方面,对初学者或是简单任务的设计者来说, VISA提供了简单易用的控制函数集,在应用形式上相当简单;另一方面,对复杂系统的组建者来说,VISA提供了非常强大的仪器控制功能与资源管理。

2 LabVIEW及其调用VISA的条件

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument ENGINEERING Workbench)是NI公司开发的一种基于图形程序的编程语言。用户利用创建和调用子程序的方法编写程序,使创建的程序模块化,而且程序编制简单、直观。一个LabVIEW程序分为3部分:前面板、框图程序和图标/接线端口。前面板用于模拟真实仪器的前面板;框图程序是利用图形语言对前面板上的控件对象(分为控制量和指示量两种)进行控制;图标/接线端口用于把LabVlEW程序定义成一个子程序,从而实现模块化编程。

当进行USB通信时,VISA提供了两类函数供LabVIEW调用,USB INSTR设备与USB RAW设备。USB INSTR设备是符合USBTMC协议的USB设备,可以通过使用USB INSTR类函数控制,通信时无需配置NI-VISA;而USB RAW设备是指除了明确符合USBTMC规格的仪器之外的任何USB设备,通信时要配置NI-VISA。
(1)配置NI-VISA的步骤

①使用Driver Development wizard(驱动程序开发向导)创建INF文档;

②安装INF文档,并安装使用INF文档的USB设备

③使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互动控制工具)对设备进行测试,以证实USB设备已正确安装,并获得USB设备的各属性值。

详细过程可参考NI官方网站上免费提供的文档《使用NI-VISA控制USB设备》。

(2)与Nl-VISA相配合的LabVIEW模板中VI子节点

ViOpen,打开并指定VISA resource NAME的设备的连接。
ViProperty,VISA设备的属性子节点,可以设置端点或传输方式。
ViWrite,向VISA resource name指定的设备写入数据。
ViRead,从VISA resource name指定的设备读出数据。
ViClose,结束设备读写并关闭与指定设备的连接。

(3)USB RAW设备读写的操作次序

USB RAW设备的读写次序如图1所示。





下面以一个USB接口的温度采集系统为例,说明基于NI-VISA驱动的USB接口应用系统的设计与实现。

3系统硬件结构

    系统以PHILIPS公司的增强型80C51单片机为核心,如图2所示。这是一个多点温度采集系统,核心器件是含有8 KB非易失FLASH程序存储器的P89C52,与标准80C51完全兼容。USB通信控制芯片采用Philips公司的PDIUSBDl2芯片(简称"D12")。它是一款较新型的专用 USB通信控制芯片,符合通用串行总线USBl.1版规范,内部集成有串行接口引擎SIE、320字节FIFO存储器、收发器和电压调节器。前端温度传感器采用DALLAS公司生产的DSl8B20。它是一线式数字温度传感器,直接以数字量输出给微处理器,可节省大量的引线和信号调理电路。DSl8B20内部有一个光刻ROM。这个ROM中存有64位序列号。它可以看作是该DS18B20的地址序列码,所以多路温度传感器可以挂在1条总线上,共同占用单片机的1条I/O线即可实现接口。在提升单片机I/O线驱动能力的前提下,理论上可以任意扩充检测的温度点数。




D12与单片机的接口共有两种方式:多路地址/数据总线方式和单地址/数据总线方式。这里选择了单地址/数据总线方式,因此,D12的ALE接为低电平,而A0脚与P89C52X2的端口P3.3相连。该端口控制D12的命令和数据状态：A0=1,表示数据总线上是命令;A0=O,表示数据总线上是数据。D12的数据总线直接与P0口相连,D12的中断引脚INT_N与89C52X2的INTO相连。当D12的外部中断有一位为1时,INT_N输出低电平,触发P89C52X2的外部中断。因为系统未采用DMA,所以D12的DMACK_N引脚接高电平,EOT_N引脚通过电阻接到USB的+5V,以正确检测到USB连接;INT_N引脚加一个上拉电阻。因为D12有片内上电复位电路,故引脚RESET_N直接与电源引脚VCC相连。温度传感器DSl8B20工作在外接电源工作方式,DQ引脚直接和P89C52X2的P1.O相连。

3.1 系统的工作原理

根据USB协议,任何传输都是由主机(host)开始的,单片机的前台工作就是等待。主机Pc首先要发送令牌包给USB,D12接收到令牌包就给单片机发中断,单片机进入中断服务程序。首先读D12的中断寄存器,判断LJSB令牌包的类型,然后执行相应的操作,因此,USB单片机程序主要就是中断服务程序的编写。在USB单片机程序中要完成对各种令牌包的响应,主要是对端口的编程。

3.2软件部分的设计

系统的固件程序从功能上分为两部分,整个编程在Keil C环境下完成。
(1)温度传感器DSl8B20的读取程序时
Dsl8B20单线通信功能是分时实现的。它有很严格的时序要求,对它的操作必须按协议进行,即初始化→发ROM操作命令→发存储器操作命令→数据处理。
(2)MCU和USB接口的通信程序
本程序使用D12的端点1和端点2进行上位计算机与MCU P89C52之间的命令和数据的传输。端点1和端点2设置成模式0（非同步方式）。其中端点1以中断传输和应答端点2以批量方式进行数据的传输。端点1接收上位机发送过来的读指令,端点2返回读成功数据。
系统的固件程序编写以分层结构展开。它足一种积木式结构,如图3所示。




①硬件提取层:单片机的I/O口、数据总线等硬件接口进行操作。
②PDIUSBDl2命令接口:对D12器件进行操作的模块子程序集
③中断服务程序：当D12向单片机发出中断请求时，读取D12中断传输来的数据,并设定事件标志"EPPFIAGS"和Setup包数据缓冲区"CONROL_XFER"传输给主循环程序。
④标准设备请求处理程序:对USB的标准设备请求进行处理。
⑤厂商请求处理程序:对用户添加的厂商请求进行处理。
⑥主程序:出USB数据传输请求,处理总线事件和调用用户自定义功能子程序
以NI-VISA为驱动的主机LabVIEW应用程序的设计,NI-VISA采用3.2版本,LabVIEW采用7.1版本。
整个应用程序的主要框架使用了WHILE循环来进行不断的查询。在程序的编写过程中，采用了类似Windows程序中的事件驱动机制，LabVIEW提供了这样的结构--事件结构。各个消息的产生利用了各种界面控件并由CASE选择结构给出，程序结构图如图4所示。




为了便于说明USB操作次序,把图4中事件结构展发USB驱动应用程序的捷径。
在图5中,USB RAW设备通信采用端点l以中断传输方式接收上位机操作命令,协议可以自己约定。端点2以批量传输方式给上位机发回温度数据。其中端点数"130"是对应十六进制数"0082"的十进制数,此数表示端点2批量输入;而端点数"1"则是对应十六进制数"0001"的十进制数,此数表示端点1中断输出。




因为NI-VISA3.2版本不支持USB属性"中断输出"(interrupt out),因此为了实现USB端点1的中断输出问题,这里把USB属性"批量输出"(BULK out pipe)和"VI Write"节点组合在一起,来实现端点1中断输出。从NI-VISA3.3起，可以直接利用"中断输出"(interrupt out)属性来实现。

结 语
经实践证明,采用基于NI-VISA驱动的USB接口应用系统的设计非常容易,开发难度低,对开发者的要求不高;开发出的系统稳定可靠,即使对Windows编程不熟悉的人也可以开发USB出应用系统。它提供了另一种开发USB驱动应用程序的捷径。