- USB数据采集系统中DMA数据传输的实现

　　2.2 USB高速设备接口的DMA传输

　　USB高速设备控制器支持16个物理端点，其中4个端点支持DMA方式。本设计中选用三个端点：EP0、EP2和EP3。控制端点EP0工作在控制传输模式，用于接收USB主机的SETUP令牌包、响应主机的标准设备请求、完成USB设备的枚举过程。EP2配置为OUT（输出）模式，用于接收来自应用程序的控制命令。EP3配置为IN（输入）模式，采用批量传输工作方式，负责将采样结果传输到PC机。从LPC2888内部缓存到计算机的DMA传输由USB高速设备控制器内部的DMA引擎和EP3批量传输配合完成。为了达到较高的数据传输速度，EP3批量传输采用自动传输模式。DMA引擎将LPC2888内部缓存数据传输到USB设备控制器内部FIFO缓存中，当FIFO获得的数据达到设定的大小时将自动封包由EP3传输到PC机。同时，当FIFO中数据为空时，控制器将自动启动DMA引擎继续传输数据。该环节的DMA传输过程完全由USB高速设备控制器硬件实现，程序中只需更改DMA源地址寄存器并设置使能控制寄存器即可启动一次DMA传输。

　　2.3 两个DMA传输环节的协调

　　系统中利用GPDMA控制器产生的半满和全满中断信号协调两个DMA对同一个缓存空间的操作，实现了LPC2888对整个数据传输过程的协调控制。当DMA通道3工作时，采样数据从CPLD传输到buffer1，同时USB高速设备控制器对buffer2中的数据进行DMA操作;当DMA通道5工作时，采样数据传输到buffer2，USB高速设备控制器对buffer1中的数据进行操作。如图5中LPC2888程序流程所示。

　　

　　图5 LPC2888程序流程

　　3、上位机软件设计

　　系统上位机软件包括两个部分：设备驱动程序和系统应用程序。开发USB设备的一个关键问题在于设备驱动程序的编写。传统的开发工具是微软公司提供的设备驱动开发工具包：Windows DDK（Device Driver Kits），以及由第三方公司基于DDK开发的驱动程序开发工具包：WinDriver或DriverWorks。DDK基于汇编语言的编程方式和内核模式的调用，对于没有深厚的操作系统原理和编程水平的人员来说，任务相当艰巨。本文使用美国国家仪器NI （National Instruments）公司开发的NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）控制USB设备，直接配置VISA生成设备驱动程序，避开了以往开发USB设备驱动程序的复杂性，同时直接使用虚拟仪器软件设计平台LabWindows CVI开发系统应用程序，缩短了开发周期。

　　3.1 使用NI-VISA开发USB设备驱动程序

　　NI-VISA是NI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I/O软件是一个综合软件包，它不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。使用VISA可以很容易地实现计算机应用程序和USB设备之间的连接，降低了设备驱动的开发难度。

　　VISA提供了两类函数供应用软件调用，USB INSTR设备与USB RAW设备。USB INSTR设备是符合USBTMC（USB测试测量类）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。经过配置后，VISA自动创建好设备驱动文件：inf文件和PNF文件。当相应的USB设备连接到计算机时，操作系统将自动安装该设备驱动并识别该设备。

　　3.2 系统应用程序设计

　　使用NI-VISA开发的USB设备可以在LabVIEW和LabWindows CVI中直接调用，其中有相应的VI子节点和库函数对设备进行操作。本系统采用LabWindows CVI开发数据采集系统应用程序。对设备的操作遵循下面的原则：首先打开设备，然后可以对设备进行读写、设置设备属性等操作，最后要关闭设备。目前应用程序设置有两种工作模式：示波器模式和连续采集存储模式。示波器模式每隔一定的时间间隔启动一次采集，采用模拟电平触发，采样长度固定，采样结果波形实时显示。连续采集存储模式启动采集后，系统将采样结果实时地存储到数据文件中。停止采集后，应用程序打开数据文件对采样结果进行波形显示、数据处理等操作。系统应用程序界面如图6所示。

　　4、系统测试结果

　　本文对该系统主要从以下四个方面进行了测试。

　　1）将CPLD内部逻辑设定为传输固定数据，如0xAA55。系统在连续采集存储模式下工作，获得数据文件。采用二进制文件编辑软件UltraEdit查看数据文件，其中所有采样点结果均为0xAA55。验证了数据传输过程的正确性。

　　2）将CPLD内部逻辑设定为传输每次增1的数据，获得采样数据文件进行查看。得到采样点结果为递增的数据，每次增量为1。验证了数据传输过程没有丢失采样点，保证了数据传输过程的可靠性。

　　3）将CPLD内部逻辑设定为传输AD采样结果。系统工作在示波器模式下，实时查看采样结果波形。调整输入模拟信号幅值、频率和波形，分别得到相应的采样结果波形。验证了AD转换环节的正确性。图6所显示被采样信号为250Hz正弦信号，峰峰值5V，采样速率1MS/s。

　　

　　图6 系统应用程序界面

　　4）USB接口数据传输速度测试。这里采用总线分析测试软件Bus Hound测试系统的数据传输速度。该软件可以观察USB设备的工作情况，读取当前USB设备输入输出数据量的大小、数据传输速度和设备属性等信息，并且在运行过程中不会对设备的工作产生影响。测试时首先运行Bus Hound软件，启动系统工作在连续采集存储模式，然后可以在Bus Hound中得到系统的数据传输速度。经测试，系统最高数据传输速度为16MB/s（128Mb/s）。图7所示为Bus Hound软件界面和数据传输速度测试结果。

　　

　　图7 软件Bus Hound的界面与速度测试结果

　　5、结论

　　本文使用嵌入式微控制器LPC2888和CPLD成功地完成了基于USB高速传输的数据采集系统。系统利用CPLD配合GPDMA控制器实现了从数据采集模块到LPC2888内部缓存的DMA数据传输，利用USB设备控制器DMA引擎配合端点批量传输实现了从缓存到计算机的DMA传输，并通过中断对两个环节进行协调实现了整个数据传输过程的DMA传输。经测试，系统有效数据传输速度达128Mb/s。

　　在USB设备驱动应用程序的开发上，本文尝试了一种新方法。配置NI-VISA生成驱动程序，在LabWindows CVI中进行应用程序设计，通过VISA控制USB设备。实践证明：使用该方法开发的系统稳定可靠，不需要开发者了解驱动程序内核，开发难度低，是一种简单、快速开发USB接口应用系统的好方法。