2.2 USB高速設備接口的DMA傳輸

　　USB高速設備控制器支持16個物理端點，其中4個端點支持DMA方式。本設計中選用三個端點：EP0、EP2和EP3。控制端點EP0工作在控制傳輸模式，用于接收USB主機的SETUP令牌包、響應主機的標準設備請求、完成USB設備的枚舉過程。EP2配置為OUT（輸出）模式，用于接收來自應用程序的控制命令。EP3配置為IN（輸入）模式，采用批量傳輸工作方式，負責將采樣結果傳輸到PC機。從LPC2888內部緩存到計算機的DMA傳輸由USB高速設備控制器內部的DMA引擎和EP3批量傳輸配合完成。為了達到較高的數據傳輸速度，EP3批量傳輸采用自動傳輸模式。DMA引擎將LPC2888內部緩存數據傳輸到USB設備控制器內部FIFO緩存中，當FIFO獲得的數據達到設定的大小時將自動封包由EP3傳輸到PC機。同時，當FIFO中數據為空時，控制器將自動啟動DMA引擎繼續傳輸數據。該環節的DMA傳輸過程完全由USB高速設備控制器硬件實現，程序中只需更改DMA源地址寄存器并設置使能控制寄存器即可啟動一次DMA傳輸。

　　2.3 兩個DMA傳輸環節的協調

　　系統中利用GPDMA控制器產生的半滿和全滿中斷信號協調兩個DMA對同一個緩存空間的操作，實現了LPC2888對整個數據傳輸過程的協調控制。當DMA通道3工作時，采樣數據從CPLD傳輸到buffer1，同時USB高速設備控制器對buffer2中的數據進行DMA操作;當DMA通道5工作時，采樣數據傳輸到buffer2，USB高速設備控制器對buffer1中的數據進行操作。如圖5中LPC2888程序流程所示。

　　圖5 LPC2888程序流程

　　3、上位機軟件設計

　　系統上位機軟件包括兩個部分：設備驅動程序和系統應用程序。開發USB設備的一個關鍵問題在于設備驅動程序的編寫。傳統的開發工具是微軟公司提供的設備驅動開發工具包：Windows DDK（Device Driver Kits），以及由第三方公司基于DDK開發的驅動程序開發工具包：WinDriver或DriverWorks。DDK基于匯編語言的編程方式和內核模式的調用，對于沒有深厚的操作系統原理和編程水平的人員來說，任務相當艱巨。本文使用美國國家儀器NI （National Instruments）公司開發的NI-VISA（Virtual Instrument Software Architecture）控制USB設備，直接配置VISA生成設備驅動程序，避開了以往開發USB設備驅動程序的復雜性，同時直接使用虛擬儀器軟件設計平臺LabWindows CVI開發系統應用程序，縮短了開發周期。

　　3.1 使用NI-VISA開發USB設備驅動程序

　　NI-VISA是NI公司開發的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。VISA總線I/O軟件是一個綜合軟件包，它不受平臺、總線和環境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。使用VISA可以很容易地實現計算機應用程序和USB設備之間的連接，降低了設備驅動的開發難度。

　　VISA提供了兩類函數供應用軟件調用，USB INSTR設備與USB RAW設備。USB INSTR設備是符合USBTMC（USB測試測量類）協議的USB設備，可以通過使用USB INSTR類函數控制，通信時無需配置NI-VISA;而USB RAW設備是指除了明確符合USBTMC規格的儀器之外的任何USB設備，通信時要配置NI-VISA。經過配置后，VISA自動創建好設備驅動文件：inf文件和PNF文件。當相應的USB設備連接到計算機時，操作系統將自動安裝該設備驅動并識別該設備。

　　3.2 系統應用程序設計

　　使用NI-VISA開發的USB設備可以在LabVIEW和LabWindows CVI中直接調用，其中有相應的VI子節點和庫函數對設備進行操作。本系統采用LabWindows CVI開發數據采集系統應用程序。對設備的操作遵循下面的原則：首先打開設備，然后可以對設備進行讀寫、設置設備屬性等操作，最后要關閉設備。目前應用程序設置有兩種工作模式：示波器模式和連續采集存儲模式。示波器模式每隔一定的時間間隔啟動一次采集，采用模擬電平觸發，采樣長度固定，采樣結果波形實時顯示。連續采集存儲模式啟動采集后，系統將采樣結果實時地存儲到數據文件中。停止采集后，應用程序打開數據文件對采樣結果進行波形顯示、數據處理等操作。系統應用程序界面如圖6所示。

　　4、系統測試結果

　　本文對該系統主要從以下四個方面進行了測試。

　　1）將CPLD內部邏輯設定為傳輸固定數據，如0xAA55。系統在連續采集存儲模式下工作，獲得數據文件。采用二進制文件編輯軟件UltraEdit查看數據文件，其中所有采樣點結果均為0xAA55。驗證了數據傳輸過程的正確性。

　　2）將CPLD內部邏輯設定為傳輸每次增1的數據，獲得采樣數據文件進行查看。得到采樣點結果為遞增的數據，每次增量為1。驗證了數據傳輸過程沒有丟失采樣點，保證了數據傳輸過程的可靠性。

　　3）將CPLD內部邏輯設定為傳輸AD采樣結果。系統工作在示波器模式下，實時查看采樣結果波形。調整輸入模擬信號幅值、頻率和波形，分別得到相應的采樣結果波形。驗證了AD轉換環節的正確性。圖6所顯示被采樣信號為250Hz正弦信號，峰峰值5V，采樣速率1MS/s。

　　圖6 系統應用程序界面

　　4）USB接口數據傳輸速度測試。這里采用總線分析測試軟件Bus Hound測試系統的數據傳輸速度。該軟件可以觀察USB設備的工作情況，讀取當前USB設備輸入輸出數據量的大小、數據傳輸速度和設備屬性等信息，并且在運行過程中不會對設備的工作產生影響。測試時首先運行Bus Hound軟件，啟動系統工作在連續采集存儲模式，然后可以在Bus Hound中得到系統的數據傳輸速度。經測試，系統最高數據傳輸速度為16MB/s（128Mb/s）。圖7所示為Bus Hound軟件界面和數據傳輸速度測試結果。

　　圖7 軟件Bus Hound的界面與速度測試結果

　　5、結論

　　本文使用嵌入式微控制器LPC2888和CPLD成功地完成了基于USB高速傳輸的數據采集系統。系統利用CPLD配合GPDMA控制器實現了從數據采集模塊到LPC2888內部緩存的DMA數據傳輸，利用USB設備控制器DMA引擎配合端點批量傳輸實現了從緩存到計算機的DMA傳輸，并通過中斷對兩個環節進行協調實現了整個數據傳輸過程的DMA傳輸。經測試，系統有效數據傳輸速度達128Mb/s。

　　在USB設備驅動應用程序的開發上，本文嘗試了一種新方法。配置NI-VISA生成驅動程序，在LabWindows CVI中進行應用程序設計，通過VISA控制USB設備。實踐證明：使用該方法開發的系統穩定可靠，不需要開發者了解驅動程序內核，開發難度低，是一種簡單、快速開發USB接口應用系統的好方法。