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基于LabVIEW的USB實時數據采集處理系統的實現
摘要：介紹了以圖形化編程語言LabVIEW為應用程序開發平臺的USB數據采集處理系統的設計，并給出了LabVIEW對外部動態鏈接庫的調用方法以及USB驅動程序的設計方法。關鍵詞：USB LabVIEW 數據采集
通用串行總線USB（Universal Serial Bus）作為一種新型的數據通信接口在越來越廣闊的領域得到應用。而基于USB接口的數據采集卡與傳統的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強、易擴展和性價比高等優點。
USB的應用程序一般用Visual C++編寫，較為復雜，花費的時間較長。由美國國家儀器（VI）公司開發的LabVIEW語言是一種基于圖形程序的編程語言，內含豐富的數據采集、數據信號分析分析以及控制等子程序，用戶利用創建和調用子程序的方法編寫程序，使創建的程序模塊化，易于調試、理解和維護，而且程序編程簡單、直觀。因此它特別適用于數據采集處理系統。利用它編制USB應用程序，把LabVIEW語言和USB總線緊密結合起來的數據采集系統將集成兩者的優點。USB總線可以實現對外部數據實時高速的采集，把采集的數據傳送到主機后再通過LabVIEW的功能模塊順利實現數據顯示、分析和存儲。
1 USB及其在數據采集設備中的應用
USB自1995年在Comdex上亮相以來，已廣泛地為各PC廠家所支持。現在生產的PC幾乎都配置了USB接口，Microsoft的Windows 98、NT以及Mac OS、Linux等流行操作系統都增加對USB的支持。USB具有速度快、設備安裝和配置容易、易于擴展、能夠采用總線供電、使用靈活等主要優點，應用越來越廣泛。
一個實用的USB數據采集系統硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根據系統需要添加的A/D轉換器和EPROM、SRAM等。為了擴展其用途，還可以加上多路模擬開關和數字I/O端口。系統的A/D、數字I/O的設計可沿用傳統的設計方法，根據采集的精度、速率、通道數等諸元素選擇合適的芯片，設計時應充分注意抗干擾性，尤其對A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機加上專用的USB通信芯片；另一種是采用具備USB通信功能的單片機。USB的另一大優點是可以總線供電，在數據采集設備中耗電量通道不大，因此可以設計成總線供電。
一個USB設備的軟件一般包括主機的驅動程序、應用程序和寫進ROM里面的Firmware。Windows98提供了多種USB設備的驅動程序，但還沒有一種專門針對數據采集系統，所以必須針對特定的設備編制驅動程序。盡管系統已經提供了很多標準接口函數，但編制驅動程序仍然是USB開發中最困難的一件事。通常采用Windows DDK實現，但現在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等軟件能夠輕易地生成高質量的USB驅動程序。單片機程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動生成的工具。編制一個穩定、完善的單片機程序直接關系到設備性能，必須給予充分的重視。以上兩個程序是開發者所關心的，而用戶卻不太關心。用戶關心的是如何高效地通過鼠標操作設備，如何處理和分析采集進來的大量數據。因此還必須有高質量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面、強大的數據分析和處理能力以及提供給用戶進行再開發的接口。
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2 LabVIEW及其外部動態鏈接庫的調用
LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司開發的一種基于圖形程序的虛擬儀表編程語言，其在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析、工廠自動化等領域獲得了廣泛的應用。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序（簡稱VI），主要包括兩部分：前面板（即人機界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實儀器的面板操作，可設置輸入數值、觀察輸出值以及實現圖表、文本等顯示。框圖程序應用圖形編程語言編寫，相當于傳統程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數到儀器以執行相應的操作。LabVIEW的強大功能在于層次化結構，用戶可以把創建的VI程序當作子程序調用，以創建更復雜的程序，而且，調用階數可以是任意的。LabVIEW這種創建和調用子程序的方法使創建的程序模塊化，易于調試、理解和維護。LabVIEW編程方法與傳統的程序設計方法不同，它擁有流程圖程序設計語言的特點，擺脫了傳統程序語言線形結構的束縛。LabVIEW的執行順序依方塊圖間數據的流向決定，而不像一般通用的編程語言逐行執行。在編寫方框圖程序時，只需從功能模塊中選用不同的函數圖標，然后再以線條相互連接，即可實現數據的傳輸。
LabVIEW雖有接口卡的驅動和管理程序，但主要是針對NI公司自己生產的卡。對于普通的I/O卡，還不能直接被LabVIEW所應用，必須采取其他方法。其中可以用LabVIEW的PortIn和PortOut功能，但此法應用簡單，無法實現較復雜的接口功能。而采用動態鏈接庫，可以根據具體需要編寫適當的程序，靈活利用LabVIEW的各項功能。用戶可以自己編寫DLLs實現LabVIEW與硬件的鏈接。用VC++6.0編制動態鏈接庫，首先生成DLL框架，AppWizard將自動生成項目文件，但不產生任何代碼，所有代碼均需用戶自己鍵入。DLL需要的文件有：①h函數聲明文件；②c源文件；③def定義文件。H文件的作用是聲明DLL要實現的函數原型，供DLL編譯使用，同時還提供應用程序編譯使用。C文件是實現具體文件的源文件，它有一個入口點函數，在DLL被初次調用的運行，做一些初始化工作。一般情況下，用戶無須做什么初始化工作，只需保留入口點函數框架即可。def文件是DLL項目中比較特殊的文件，它用來定義該DLL項目將輸出哪些函數，只有該文件列出的函數才能被應用函數調用。要輸出的函數名列在該文件EXPORTS關鍵字下面。
3 基于AN2131Q的單光子采集系統
該采集系統由筆者自行開發并用于單光子計數種子活性快速檢測儀中。它主要由將光子信號轉為電信號的光電倍增管（PMT）及其輔助電路和基于AN2131Q的USB采集卡組成。PMT及其前置放大器、放大器、甄別器等輔助電路能將微弱的光子信號轉換為15ns的標準TTL脈沖信號，脈沖信號經過分頻處理后再被USB采集，USB將采集的結果實時地傳給主機處理。
3.1 USB采集卡的硬件組成
該采集卡由微控制器、USB通信接口、主機以及數字I/O端口組成，如圖1所示。
筆者設計了一種同步傳輸方式的單片方案，應用了內置微處理器的USB設計——EZ-USB AN2131Q。它是Cypress公司的一種內嵌微控制器的80腳USB芯片，包含三個8位多功能口，8位數據端口，16位地址端口，二個USB數據端口，二個可定義16位的定時/計數器和其他輸入輸出端口。其采用一種基于內部RAM的解決方案，允許客戶隨時不斷地設置和升級，不受端口數、緩沖大小和傳輸速度及傳輸方式的限制。片內嵌有一個增強型8051微控制器，其4個時鐘的循環周期使它比標準8051的速度快3倍。采用同步傳輸方式將單片機的計數值實時傳送給主機，而主機對計數器的控制信號則采用塊傳輸方式傳送。EZ-USB是Cypress公司推出的USB開發系統，它為USB外設提供了一種很好的集成化解決方案。EZ-USB在其內核已做了大量繁瑣的、重復性的工作，這樣就簡化了開發代碼，進而縮短了開發周期。此外，開發商還提供了配套的開發軟件（包括編譯軟件uVision 51、調試軟件dScope 51、控制軟件EZUSB Controll Panel）以及驅動程序GPD（General Purpose Driver）接口，以便于用戶進行開發使用。
圖2 開啟設備和獲取采集數據的流程圖
3.2 USB采集卡的軟件構成
在USB的Firmware中，采取同步傳輸（Isochronous Transactions）和塊傳輸（Bulk Transactions）兩種傳輸方式。同步方式用來實時傳送采集的數據，塊傳輸主要用來傳輸主機命令信號和USB的狀態信息。塊傳輸中利用端點（Endpoint）2。兩種傳輸方式的核心中斷程序如下：
void ISR_Sutok(void)interrupt 0 //塊傳輸方式
{
//initialize the couters in the 8051
TMOD=0x05；
TCON=0x10；
TH0=0；
TL0=0;
Thb=0,
TH0=0；
TL0=0;
thb=0；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSUTOK; //Clear SUTOK IRQ
}
void ISR_Sof(void)interrupt 0 //同步傳輸方式
{
if(TCON&0x21){ //Deal with the counter overflow
TH0=0;
Tl0=0;
THB++;
TCON&=0xdf;}
IN8DATA=TH0; //3 Bytes counter result
IN8DATA=TL0；
IN8DATA=THB；
EZUSB_IRQ_CLEAR（）；
USBIRQ=bmSOF; //Clear SOF IRQ
}
在LabVIEW應用程序中設計了一Usb.dll文件作為LabVIEW與USB的驅動程序。由于EZ-USB開發系統中已經提供了底層驅動程序（GPD）接口函數，用戶只需調用這些函數即可與USB設備連接。因此在DLL的編制中只需調用它提供的函數，大大節約了開發時間，提高了開發速度。創建的Usb.dll文件中包含了如下五個輸出函數，功能說明如表1所示。
表1 Usb.dll包含函數的功能說明
其定義如下：
LPSTR_declspec(dllexport)_stdcall Control(int input);
int_declspec(dllexport)_stdcall ReadResult(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StartIsoStream(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StartThread(void);
int_declspec(dllexport)_stdcall StopThread(void)；
開啟設備和獲取采集數據的過程如圖2所示。它的主要功能有：開啟或關閉USB設備、檢測USB設備、設置USB數據傳輸管道（pipe）和端點（endpoint）、實時從USB接口采集數據、顯示并分析數據。
程序在VC++6.0環境下編制成功后自動生成DLL文件。調用時，在框圖程序窗口打開FunctionPalette（功能模板），在Advanced模塊包含有對庫函數的調模塊，即CallLibraryFunction。把編寫好的DLLs放在當前目錄或特定目錄下。在功能模板放置函數調用模塊，然后選Configure，出現對話框。根據LabVIEW與DLLs的參數對應關系填寫好DLL文件的路徑（DLL文件不在當前目錄下）、被調用函數名、參數的類型及返回類型。需要注意的是，當調用多個函數時要分別填寫參數的個數和對應的類型，而且在調用過程中應保持數據位的一致。填好選擇OK按鈕后，LabVIEW將自動生成各參數的入口及出口狀態，這樣就實現了LabVIEW與DLLs的調用。
通過上述方法成功實現了LabVIEW與USB驅動程序的數據交換，從而實現了以LabVIEW為應用程序的USB實時采集處理系統。將USB采集卡增加A/D或D/A并對電路作相應的改動后，即可實現傳統采集卡的所有功能。很明顯，這種集成了USB接口優點和LabVIEW圖形化編程語言的采集處理系統與傳統采集卡相比具有不可比擬的優勢，不僅性價比高、通用性高、易于開發、數據處理簡單，且可以大大縮短開發時間。
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