软件系统的设计 - 基于USB接口的电化学沉积仪器数据采集系统的研究

　　2 软件系统的设计

　　该电化学沉积试验仪器的软件可分为三部分，固件程序、驱动程序和终端应用程序。

　　2．1 固件程序

　　该USB数据采集系统固件所完成的任务主要有以下两项：

　　（1）响应主机USB请求，获得系统配置，实现电化学沉积仪器与主机之间的即插即用功能；

　　（2）以100次／s的采样频率对信号进行采样，并把采样得到的电压或者电流信号传送给USB主机。

　　在该USB数据采集系统中用到三个端口：控制端口、IN端口和OUT端口。其中，控制端口完成响应USB标准请求的功能，IN端口用于把采集到的数据传送给USB主机，OUT端口接收USB主机发送的控制命令。具体的软件设计流程图见图4。

　　

　　该USB数据采集系统固件设计包括三个部分：

　　①设备枚举，这个固件主要完成对USB标准请求的响应。系统通过发送USB标准请求来获得USB设备的配置和设备信息，并按照这些信息对USB进行资源分配。

　　②数据采集。

　　③响应设备请求，即响应设备的读写请求，USB主机通过IN端口向USB采集系统发送控制数据采集的指令，通过OUT端口接收USB设备发送的数据。

　　对于USB采集系统，通过IN端口接收USB主机发给控制器的命令，这些命令信息包含采样信号类型、采样启动／停止标志位等。其中采样信号类型用第一个字节表示，采样启动／停止标志用第二个字节表示。IN端口也是USB的任务处理端口，接收命令码通过对IN端口的事件处理程序实现。当IN端口接收到数据后，控制器读出接到的数据并对数据进行解码和处理。

　　USB主机通过OUT端口接收AT90USB1287发送给USB主机的数据，这些数据采用中断的方法通过A／D转换而得到结果。

　　2．2 USB驱动程序

　　USB驱动程序的作用是连接主机和USB设备。常用的Windows系统USB驱动程序设计软件有DDK，DriverStudioS和WINDRIVER等。本文采用了开发相对灵活的DriverStudioS，该软件配合DDKXP可以生成驱动程序框架。通过添加和修改生成的驱动程序框架即可完成该系统驱动程序开发。由固件程序可知，电化学沉积仪器需要三个USB端口，即：控制端口0、IN端口1以及OUT端口2。利用Driver-StudioS的开发包DriverWorks生成的驱动程序并加以修改实现了对两个端口的读写操作。在这里定义IN端口和OUT端口的类型均为BULK类型。通过修改、安装INF文件，最终完成驱动程序的开发。

　　2．3 终端应用程序

　　终端应用程序流程图见图5。该应用程序采用VC 6.0编译器进行编程，当下位机上电并与计算机连接之后，应用程序首先要判断电化学沉积实验仪器是否和主机连接正常。如果出现异常就要求系统重新连接，直到检测到设备能正常通信为止。该应用程序的界面操作不受后台数据处理的影响，具体过程为；首先查找USB设备（电化学沉积仪器的设备句柄），获得设备句柄，封装对USB设备操作的动态链接库，最后对采集的数据进行处理和显示。应用程序和下位机之间的通信通过命令解析协议进行。应用程序可以设定试验类型，并对试验进行控制。这些操作实际上是向缓冲区读写数据的过程。根据通信协议，该过程中每一种命令都有其对应的转义字符。

　　

　　系统需要采集实时数据并实时显示，因此系统需使用WM TIMER消息来触发设置定时器事件，以实现USB采集系统1 s采集100组电压、电流信号的数据。在利用这些数据进行实时绘图显示时，由于系统不断更新屏幕，会出现视图闪烁的情况。为了解决屏幕闪烁问题，现在最常用的方法就是采用双缓存的绘图方法。具体做法如下：在OnDraw（）函数中，在图形绘制以前使用函数CreateCompatibleDC（）和CreateCompatible-Bitmap（）创建内存设备上下文以及系统将要绘制到的位图对象，然后执行所有的绘图操作，最后使用Bitmap（）将整个内存位图移到可视窗口上。这样就完全消除了屏幕抖动的现象，可以看到曲线平稳的移动。

　　3 实验结果

　　软、硬件及系统综合调试之后，进行试验测试。配置不同浓度的溶液进行实验，用ITO玻璃作为工作电极（阴极），甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极。先进行试验参数设置（包括：实验类型、工作电压电流值、工作频率及试验时间等）。点击完成设置，开始试验，即得到试验动态曲线。

　　

　　图6是恒电位条件下的I-t实时曲线的图形界面。同样可以得到恒流和脉冲电位实验的V-t，I-t曲线图形。由于试验的需要，试验人员往往需要保存每次的实验结果和图形，以便对数据进行分析整理。因此，该应用程序添加了图形保存功能。只要在需要保存的图形上点击鼠标左键，即可把试验图形保存成BMP格式的图片，并带有试验的详细信息。

　　4 结 语

　　在实时的电化学沉积试验监测中，该接口具有速度快、性能高、占CPU资源少的特点。USB 2．0协议的理论传输速度为480 Mb／s，实际传输速度往往要低于理论传输速度，但完全能满足实验室电化学试验数据通信的需要。该接口使用方便、成本低，属于小型高速数据采集系统，它为电化学沉积实验系统在线的精确监测诊断提供了数据支持。