摘要： 本文介紹一種基于DSP平臺，以USB接口方式實現(xiàn)用于繼電器檢測與保護(hù)裝置的通信方式的實現(xiàn)。它采用Philips公司的ISP1581_BD接口芯片，實現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)采集與PC機的高速傳輸。并介紹了在設(shè)計開發(fā)USB外設(shè)時主機應(yīng)用程序及設(shè)備驅(qū)動程序的方法及代碼。 關(guān)鍵詞：USB設(shè)備驅(qū)動程序 ISP1581_BD 1 引言 ISP1581 是一種價格低、功能強的通用串行總線（USB）接口器件，它完全符合USB 2.0 規(guī)范，并為基于微控制器或微處理器的系統(tǒng)提供了高速USB 通信能力。ISP1581與系統(tǒng)的微控制器/微處理器的通信是通過一個高速的通用并行接口來實現(xiàn)的。它符合現(xiàn)有的大多數(shù)器件的分類規(guī)格，比如：成像類、海量存儲器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機接口設(shè)備。 內(nèi)部通用DMA 模塊使得數(shù)據(jù)流很方便的集成。另外，多種結(jié)構(gòu)的DMA模塊實現(xiàn)了海量存儲的應(yīng)用。這種實現(xiàn)USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得使用者可以在各種不同類型的微控制器中選擇出一種最合適的微控制器。通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資縮短了開發(fā)時間、減少了開發(fā)風(fēng)險和費用。從而用最快捷的方法實現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的解決方案。ISP1581可理想地用于許多外設(shè)，例如：打印機、掃描儀、MO、CD、DVD 和Zip/Jaz 驅(qū)動器、數(shù)碼相機、USB和以太網(wǎng)的鏈接、電纜和DSL調(diào)制解調(diào)器等等。另外，ISP1581 所具有的低掛起功耗還可以滿足ACPITM,OnNOWTM和USB電源管理的要求。此外，ISP1581內(nèi)部還集成了許多特性，包括SoftConnectTM、低頻晶體振蕩器和集成的終止寄存器。所有這些特性都為系統(tǒng)大大節(jié)約了成本，同時使強大的USB功能很容易地用于PC機外設(shè)。 2 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計包括硬件方案設(shè)計與USB設(shè)備的軟件設(shè)計。而USB設(shè)備的軟件設(shè)計主要包括兩部分：一是USB設(shè)備端的軟件，主要完成USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換（多數(shù)情況下是一個中斷子程序）以及其它應(yīng)用功能程序；二是PC端的程序，由USB通信程序和用戶服務(wù)程序兩部分組成，用戶服務(wù)程序通過USB通信程序與系統(tǒng)USBDI(USB設(shè)備接口)通信，USB通信程序開發(fā)難度比較大，可用DDK或DriverWork等開發(fā)工具開發(fā)。 2.1 USB芯片與DSP的硬件連接 本方案以TI公司的TMS320C5XX作為微控制器，采用外部供電方式，連接電路如圖1所示。 ISP1581的16根數(shù)據(jù)線直接與DSP的數(shù)據(jù)線相連，存儲管理單元(MMU)和集成RAM作為USB的緩沖區(qū)，允許微控制器以自己的速率對USB信息包進(jìn)行讀寫。D+，D-信號線上串接18Ω電阻。XTAL1接12MHz晶振。 2.2 固件程序設(shè)計 由于采用的是不帶微控制器內(nèi)核的USB接口芯片，所以關(guān)于USB2.0協(xié)議規(guī)范的實現(xiàn)都必須靠DSP控制ISP1581芯片來完成。固件的主要設(shè)計任務(wù)是：在DSP的平臺上編寫程序，以完成USB2.0規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求。為了不影響程序的執(zhí)行效率，本方案采用中斷方式完成固件的編寫，同時，為了保證程序的模塊化及良好的可移植性，在設(shè)計中采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行固件的編寫。詳細(xì)方法可參見文獻(xiàn) 。 在本方案中，采用端點2以批量方式來與上位機進(jìn)行通信，采用端點0來進(jìn)行除設(shè)備枚舉之外的設(shè)備命令控制字的處理，這在下面的設(shè)備驅(qū)動程序中將會談到。因為對于繼電器來說，有很多標(biāo)志位需要傳送；且因USB是單向控制的，故在每次讀寫數(shù)據(jù)時均需首先發(fā)送一命令控制字，然后再通過API讀寫函數(shù)進(jìn)行雙方通信。所以我在此設(shè)一個IO請求結(jié)構(gòu)：struct IOREQ{unsigned int wValue;unsigned int wIndex;},wValue代表16位標(biāo)志位，wIndex代表需傳送的字節(jié)數(shù)，這個結(jié)構(gòu)命令傳送的驅(qū)動需要自己在設(shè)備驅(qū)動程序中實現(xiàn)（通過設(shè)備類請求的方式，見2.3述），且在上層應(yīng)用程序中通過DeviceIoControl(…)函數(shù)，通過驅(qū)動的類請求傳給USB設(shè)備端點0，USB設(shè)備則以類設(shè)備請求方式處理這個設(shè)備控制命令。 本驅(qū)動中采用0x00作為USB設(shè)備寫命令的請求類型號，0x01作為USB設(shè)備讀命令的請求類型號，設(shè)備固件中處理IO控制請求的代碼如下： unsigned char type, req; type = ControlData.DeviceRequest.bmRequestType & 0x60;//請求類型 req = ControlData.DeviceRequest.bRequest & 0x0F;//請求號 if (type == 0x00) (*StandardDeviceRequest[req])();//調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請求 else if (type ==0x40)//類請求 {if (req==0x00) Handle_Write_DeviceIo();//處理寫控制命令 if(req==0x01) Handle_Read_DeviceIo();//處理讀控制命令 } 2.3 PC端的USB驅(qū)動程序設(shè)計 DriverStudio 是一套用來簡化微軟Windows 平臺下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)、調(diào)試和測試的工具包。DriverStudio 當(dāng)前的版本包括DriverWorks、SoftICE及其它工具模塊。DriverWorks：對于Windows NT下和 Windows 98與Windows 2000/XP共同支持的Win32驅(qū)動模型(WDM)設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)提供完全的支持。DriverWorks中包含一個非常完善的源代碼生成工具(DriverWizard)以及相應(yīng)的類庫和驅(qū)動程序樣本，它提供了在C++下進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的支持。SoftICE：SoftICE 是一個功能極其強大的內(nèi)核模式調(diào)試器，它支持在配置一臺單獨的計算機或兩臺計算機下進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序的調(diào)試。DriverWorks提供了三個與USB直接相關(guān)的類：UsbLowerDevice,KUsbInterface和KUsbPipe類，用于實現(xiàn)USB設(shè)備操作。KUsbLowerDevice類用于邏輯設(shè)備的編程，KUsbInterface類用于接口的編程，KUsbPipe類用于管道的編程。最基本的例程有設(shè)備的啟動，停止，卸載，讀寫，設(shè)備控制等例程 。 DriverStudio本身提供了一個設(shè)備驅(qū)動的框架，且可自動生成端點2的各種傳輸方式的源代碼，故在此不討論。對于設(shè)備控制命令傳送的驅(qū)動則需根據(jù)實際應(yīng)用具體實現(xiàn)如下：采用設(shè)備類請求函數(shù) PURB BuildVendorRequest( PUCHAR TransferBuffer,//為驅(qū)動程序存放傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū) ULONG TransferBufferLength,//傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，對應(yīng)于類請求的wLength UCHAR RequestTypeReservedBits,//為類請求字節(jié)中的保留位 UCHAR Request,//具體請求數(shù)值，對應(yīng)于類請求的bRequest USHORT Value,//對應(yīng)于類請求的wValue BOOLEAN bIn=FALSE,//TRUE為輸入：設(shè)備->主機，F(xiàn)ALSE為輸出：主機->設(shè)備 BOOLEAN bShortOk=FALSE,//TRUE表示設(shè)備傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，可少于指定的字節(jié)數(shù) PURB Link=NULL,//為下一個傳輸?shù)腢RB UCHAR Index=0, //對應(yīng)于類請求的wIndex USHORT Function=URB_FUNCTION_VENTOR_DEVICE,//類別的請求 PURB pUrb=NULL//指向一存在的URB ); 實現(xiàn)的方法是對于讀請求IOCTL_READ及寫請求IOCTL_WRITE, 將相應(yīng)的類別代碼通過此成員函數(shù)傳送給底層驅(qū)動，實現(xiàn)IO控制命令請求。代碼實現(xiàn)如下： NTSTATUS USBDRIVERDevice::DeviceControl(KIrp I) { NTSTATUS status; PURB pUrb; struct IOREQ* Ioctrl; switch (I.IoctlCode()) { case IOCTL_READ://處理IO讀請求 PIRP pIrp=(PIRP)I; Ioctrl=(struct IOREQ*)pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer;//取緩沖區(qū)數(shù)據(jù) pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(NULL,0,0,0,Ioctrl->wvalue,TRUE,TRUE,NULL, Ioctrl->wIndex,URB_FUNCTION_VENDOR_DEVICE);//類請求：讀請求 if(pUrb==NULL) status=STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES; else {status=m_Lower.SubmitUrb(pUrb);delete pUrb;} break; case IOCTL_WRITE: PIRP pIrp=(PIRP)I; Ioctrl=(struct IOREQ*)pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer; //取緩沖區(qū)數(shù)據(jù) pUrb=m_Lower.BuildVendorRequest(NULL,0,0,1,Ioctrl->wvalue,TRUE,TRUE,NULL, Ioctrl->wIndex,URB_FUNCTION_VENDOR_DEVICE); //類請求：寫請求 if(pUrb==NULL) status=STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES; else {status=m_Lower.SubmitUrb(pUrb);delete pUrb;} break; default: status = STATUS_INVALID_PARAMETER; break; } if (status == STATUS_PENDING) return status; else return I.PnpComplete(this, status);//成功，提交URB } 另外，對于設(shè)備驅(qū)動的安裝，還應(yīng)修改設(shè)備配置文件中的安裝程序類別和GUID：Class=USB，ClassGUID={36FC9E60-C465-11CF-8056-444553540000}，否則將無法識別出是USB設(shè)備 。 2.4 PC端的應(yīng)用程序設(shè)計 通過調(diào)用API函數(shù)編寫PC的應(yīng)用程序。函數(shù)有CreateFile(),CloseHandle(), DeviceIOControl(),ReadFile(),WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC（主機）向DSP發(fā)送請求，ReadFile()和WriteFile()分別用于從USB設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)以及向USB設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主-從方式的接口，它的一切傳輸過程都必須通過主機向外設(shè)發(fā)送請求后才可以開始，所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數(shù)據(jù)之前，必須先通過DeviceIOControl()向USB設(shè)備發(fā)送請求，而且還須采用異步IO方式。例如，讀數(shù)據(jù)的部分代碼為： struct IOREQ Ioctrl;//IO請求的結(jié)構(gòu) OVERLAPPED ov;//異步IO memset(&ov,0,sizeof(OVERLAPPED)); ov.hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);//創(chuàng)建一事件 ResetEvent(ov.hEvent);//復(fù)位事件 unsigned long nBytes; Ioctrl.wvalue=xx; Ioctrl.wIndex=xx;// 傳送的標(biāo)志位及要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù) bResult = DeviceIoControl(hDevice,IOCTL_READ,&Ioctrl,8,NULL,0,&nBytes,&ov);//啟動 //讀命令， if (bResult != TRUE) { if(GetLastError()!=ERROR_IO_PENDING)//IO錯誤 { MessageBox("請求數(shù)據(jù)傳送失敗! 已放棄", "錯誤"); return 0; } switch(::WaitForSingleObject(ov.hEvent,20))//等待20ms { case WAIT_OBJECT_0: if(!::GetOverlappedResult(hDevice,&ov,&nBytes,TRUE)) return 0; break; case WAIT_TIMEOUT://超時錯誤 ::CancelIo(hDevice); return 0; default: return 0; } } bResult = ReadFile(hDevice,…,&ov);// 從設(shè)備讀數(shù)據(jù) if (bResult != TRUE) {…//同上} 3 系統(tǒng)測試及結(jié)果 繼電器測試與保護(hù)裝置的交流實驗部分測試結(jié)果如下圖所示。實驗證明，利用USB傳輸響應(yīng)時間完全達(dá)到設(shè)定要求，即使在有10路AD數(shù)據(jù)的情況下也反應(yīng)靈敏，特別地，用USB傳輸方式，有效的解決了現(xiàn)場作業(yè)方便性的問題。 ４ 結(jié)束語 本文以一實際開發(fā)的項目為例，對以DSP芯片為控制器的USB傳輸系統(tǒng)具體的硬件和軟件實現(xiàn)進(jìn)行了闡述，特別地詳述了適用于具體應(yīng)用的設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)，此設(shè)備驅(qū)動也已成功應(yīng)用于USB接口的圖像傳輸，具有一定的通用性。 參考文獻(xiàn) [1]周立功等. 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