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利用USB2.0单片机实现全数字图像的实时采集
摘要：主要论述利用USB2.0单片机接口技术实现高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）全数字图像的实时采集、传输的原理、方法和系统实现，以及相应的固件程序设计。关键词：USB2.0接口技术数字图像单片机
引言
传统的方法是用视频采集卡（如1394）对视频信号进行采集，利用相应的软件传给PC机，既不方便，也不经济。本文介绍一种利用Cypress公司发布的世界上第一块带有USB2.0接口的芯片CY7C68013与PC机（主板为支持USB2.0的华硕主板PB533）实现了高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）、全数字图像的实时采集系统。
1数字图像的实时采集原理
数字图像的实时采集原理如图1所示。在图1中，以Omnivisiontechnologies公司的OV7620/7120芯片作为图像采集芯片，其主要特点是该芯片可提供0.5――30帧/s,640×480像素点阵CMOS的彩色或黑白数字图像，工作频率为27MHz,像素时钟为27MHz;以Cypress公司的CY7C68013作为CPU控制和USB2.0接口芯片，该芯片的主要特点是在一块芯片上集成了USB2.0内核和引擎、一个增强型51系列的微处理器，及可编程外围接口的芯片，提供了高效率的时序解决方案，在这种有独创性的结构下，仍然使用低价位的51系列的微处理器，其数据传输速度可以达到56MB/s,可以提供USB2.0的最大带宽。因此在图1中，CPU控制和USB2.0接口芯片选择了上述芯片。图像芯片（OV7620/7120）所采集的图像数据按设定的频率（0.5――30帧/s），在CY7C68013内部51CPU的控制下，直接将其送到CY7C68013的FIFO缓冲区，再由其内部的USB2.0接口通过USB电缆将其图像数据传输到计算机。
2数字图像的实时传输
为了实现数字图像的实时传输，必须解决影响实时传输的几大因素：一是图像芯片采集速度；二是图像芯片与CY7C68013的FIFO缓冲区之间的传输速度；三是CY7C68013内部的USB2.0与带有USB2.0接口计算机之间的传输速度；四是计算机中应用软件的接收图像、处理图像速度。以下将分别加以具体说明。
（1）图像芯片采集速度
图像芯片采集速度是选择图像芯片的关键指标，在该指标满足的前提下，选取图像分辨率相对较高的图像芯片。如可以选取Photobit公司的PB-0300或Omnivision公司的.OV7620以及Philips公司的SAA7111等高分辨率图像采集及处理芯片。
（2）图像芯片与CY7C68013的传输速度
一般的，对于大多数CMOS数字图像采集和处理芯片，其数据传输速度为其像素时钟，与其工作频率基本一致，其周期小于40ns;而当CY7C68013工作在主频48MHz时，其内部的通用编程接口可以将外部5――48MHz的数据传输到内部FIFO缓冲区。可见，应选取像素数据传输速度合适的图像采集及处理芯片。
（3）CY7C68013与计算机之间的传输速度
在USB1.0和USB1.1接口中，只支持低速和全速两种传输方式。在低速方式下其最大传输速度为1.5Mbps;在全速方式下其最大传输速度为12Mbps.显然，在这两种方式下要完成高分辨率（640×480像素点阵以上）的数字图像实时传输（24帧/s以上）是不可能的。而USB2.0接口，除支持低速和全速两种传输方式外，还支持高速传输方式。在高速传输方式下，其最大传输速度为480Mbps.因此选取带有USB2.0内核的CY7C68013芯片作为USB2.0接口芯片及带有USB2.0接口的计算机，满足数字图像的实时传输速度要求。
（4）计算机中应用软件的处理速度
计算机中，应用软件的接收图像、处理图像速度，也是完成高分辨率数字图像实时传输所面临的一个很大挑战。特别是在Windows多任务作业下的延迟，更是如此。
此外，USB总线的带宽、操作系统等也会影响数字图像的实时传输。
3系统实现及固件程序设计
（1）系统实现
本系统的具体和详细设计如图2所示的数据采集逻辑原理图。在图2中，图像采集处理芯片用OV7620/7120,时钟频率为27MHz,像素时钟为27MHz;CPU控制和USB2.0接口芯片用CY7C68013,时钟频率为24MHz,通过对CY7C68013内部的CPUCS寄存器进行修改，使其工作在48MHz方式下。根据芯片OV7620/7120及CY7C68013内部的FIFO、通用编程接口等特点，其具体接法是：将OV7620/7120的像素时钟PCLK接到CY7C68013的IFCLK上；
OV7620/7120的HREF、VSYNC分别接到CY7C68013的RDY0、RDY1上；同时将OV7620/7120的VSYNC、CHSYNC分别接到CY7C68013的INT0、INT1上。将CY7C68013的PE0、PE1接在OV7620/7120的I2CBUS上。
图2
（2）固件程序设计
按照图2数据采集逻辑原理图，其固件程序设计主要由以下几部分组成。
①USB2.0接口的初始化程序设计。本段程序主要通过对CY7C68013的CPUCS寄存器进行设定，使CY7C68013重枚举后工作在频率48MHz下；通过对CY7C68013的USBCS寄存器设定，使其USB内核工作在USB2.0方式下，由固件程序应答USB的传输，而不是由USB内核应答；同时通过对CY7C68013的IFCONFIG寄存器设定，使其CY7C68013工作在通用编程接口方式下。
②图像芯片的初始化程序设计。本段程序主要通过CY7C68013的PE0、PE1模拟I2CBUS的时序，完成对图像芯片的初始化、显示窗口大小、数据格式、显示帧数等工作。
③通用编程接口（GPIF）程序设计。本接口程序设计主要完成对CY7C68013通用编程接口的初始化以及控制信号RDYx和CTLx（本设计中未用）、数据宽度（8位）、FIFO缓冲区、计数器等的编程设计，并对OV7620/7120的输入信号HREF、VSYNC等进行逻辑控制，即当HREF为高电平、VSYNC为底时，数据开始传输。
④USB2.0等时传输程序设计。本段程序主要完成USB2.0的等时传输功能。要实时采样数据，必须使用USB2.0的等时传输技术及中断技术。
⑤主程序设计。在主程序中，除要完成①――④中断论述的功能外，还要给出USB控制传输的固件应答程序及相应的中断初始化和中断服务程序，其完整程序见本刊网站。
4结论
本系统在工业在线检测、无人驾驶汽车等领域得到了很好的应用，满足了应用的需求。
利用USB2.0单片机实现全数字图像的实时采集
摘要：主要论述利用USB2.0单片机接口技术实现高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）全数字图像的实时采集、传输的原理、方法和系统实现，以及相应的固件程序设计。关键词：USB2.0 接口技术 数字图像 单片机
引言
传统的方法是用视频采集卡（如1394）对视频信号进行采集，利用相应的软件传给PC机，既不方便，也不经济。本文介绍一种利用Cypress公司20发布的世界上第一块带 有USB2.0接口的芯片CY7C68013与PC机（主板为支持USB2.0的华硕主板PB533）实现了高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）、全数字图像的实时采集系统。
1 数字图像的`实时采集原理
数字图像的实时采集原理如图1所示。在图1中，以Omnivision technologies公司的OV7620/7120芯片作为图像采集芯片，其主要特点是该芯片可提供0.5～30帧/s，640×480像素点阵CMOS的彩色或黑白数字图像，工作频率为27MHz，像素时钟为27MHz；以Cypress公司的CY7C68013作为CPU控制和USB2.0接口芯片，该芯片的主要特点是在一块芯片上集成了USB2.0内核和引擎、一个增强型51系列的微处理器，及可编程外围接口的芯片，提供了高效率的时序解决方案，在这种有独创性的结构下，仍然使用低价位的51系列的微处理器，其数据传输速度可以达到56MB/s，可以提供USB2.0的最大带宽。因此在图1中，CPU控制和USB2.0接口芯片选择了上述芯片。图像芯片（OV7620/7120）所采集的图像数据按设定的频率（0.5～30帧/s），在CY7C68013内部51CPU的控制下，直接将其送到CY7C68013的FIFO缓冲区，再由其内部的USB2.0接口通过USB电缆将其图像数据传输到计算机。
2 数字图像的实时传输
为了实现数字图像的实时传输，必须解决影响实时传输的几大因素：一是图像芯片采集速度；二是图像芯片与CY7C68013的FIFO缓冲区之间的传输速度；三是CY7C68013内部的USB2.0与带有USB2.0接口计算机之间的传输速度；四是计算机中应用软件的接收图像、处理图像速度。以下将分别加以具体说明。
（1）图像芯片采集速度
图像芯片采集速度是选择图像芯片的关键指标，在该指标满足的前提下，选取图像分辨率相对较高的图像芯片。如可以选取Photobit公司的PB-0300或Omnivision公司的OV7620以及Philips公司的SAA7111等高分辨率图像采集及处理芯片。
（2）图像芯片与CY7C68013的传输速度
一般的，对于大多数CMOS数字图像采集和处理芯片，其数据传输速度为其像素时钟，与其工作频率基
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基于凌阳单片机的语音信号实时采集
摘要：语音信号采集是语音信号处理的基础。本文利用凌阳公司16位单片机――SPCE061A所具有的数字信号处理（DSP）功能及其所提供的音频压缩函数库来实现语音信号的实时采样与压缩；通过RS232接口，将采集到的语音信号实时上传到PC机中存储。关键词：语音信号处理 RS232 串口通信 语音采样 语音压缩
引言
随着单片机集成化程度的不断提高，现代单片机已经具备了数字信号处理功能，使语音信号处理用单片机实现成为可能。台湾凌阳科技公司（SunPlus）推出的一款SPCE061A就是这样的产品。SPCE061A是以μ'nSP TM16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机，采用模块式集成结构，片内集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特别适合语音信号处理。本文介绍如何实现用SPCE061A单片机采集语音信号，并传送到PC机中的方法。
(本网网收集整理)
1 硬件系统结构
1.1 SPCE061A结构
SPCE061A的内部结构如图1，其特点如下：
*16位μ'nSP TM微控制器；
*工作电压：VDD为2.6～3.6V(CPU),VDDH为VDD～5.5V（I/O）；
*CPU时钟为0.32～49.152MHz；
*内置存储器：SRAM为2KB，内存Flash为32KB；
*可编程音频处理；
*2个16位可编程定时器/计数器；
*7通道10位ADC（内置麦克风放大和自动增益控制功能）；
*2个10位DAC；
*32路可编程通用输入输出端口；
*串行输入输出接口；
*低电压监测/低电压复位功能；
*14个中断源可来自定时器、外部时钟输入、键唤醒等；
*内置在线仿真电路ICE。
1.2 SPCE061A开发方法
SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的，如图2所示。它利用了SPCE061A内置的在线仿真电路ICE和凌阳公司的在线串行编程技术。如果读者想要使用该芯片及开发系统，可上网www.unsp.com.cn查询，并寻求大学计划的免费支持。
1.3 语音采集的硬件电路
语音采集的硬件电路如图3所示。MIC采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等优点。
与PC机的.串行通信用SPCE061A的UART接口，用MAX232芯片进行电平转换，即可实现RS232通信。
2 软件设计与实现
2.1 语音信号的采集压缩与数据传输
（1）语音信号的采集压缩
语音信号处理的基础是对语音信号进行数字化，并采样存储。SRCE061A内置专门用于语音信号采集的自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN）。语音信号经麦克转换成电信号，由隔离电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器。SPCE061A内部自动增益控制电路AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增器时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以便使进入A/D的信号保持在最佳电平，又可使谐波减至最小。
ADC初始化程序如下：
INT OFF；
R1=0x0030；
[P_TimerA_Ctrl]=R1；
//时钟频率为CLKA的fosc/2
R1=0xfa00；
[P_TimerA_Data]=R1；
//采样率为16kHz
R1=0x003d;
[P_ADC_Ctrl]=R1； //设置AGC功能
R1=0x00A8;
[P_DAC_Ctrl]=R1; //采用自动方式且通过MIC_IN通道输入，通过定时器A的溢出锁存数据，ADC为自动方式
R1=0x1000;
[P_INT_Ctrl]=R1； //开中断IRQ1_TM
INT IRQ；
图3 语音采集的硬件连接图
采样后的数字语音信号数据量非常大，且由于语音信号采样点幅度分布的非均匀性和样本间的相关性等原因，使语音信号中含有大量的冗余信息。因此，在实际应用中采用各种信源编码技术来消除语音信号的冗余度。语音编码方法主要有波形编码、参数编码和混合编码。
*波形编码的基本原理是以波形逼近为原则，在时域上把幅度样本分层量化并用代码表示；特点是语音质量高、抗噪性强编码率高，适于语音及高保真音乐。
*参数编码是基于某种语音产生模型，在编程端分析出该模型参数选择适当的方式进行编码；特点是语音质量差、抗噪抗弱和编码率低。
*混合编码综合了波形和参数编码之优点。
凌阳SPCE061A提供了压缩算法库――SACMLIB（见表1），其处理的语音信号范围是200Hz～3.4kHz的电话语音，并将A/D、编/解码、存储及D/A做成相应的模块，对于每个模块都有其应用程序接口API。
表1 SACM-LIB库中模块及其算法
模块名称压缩算法采样率/kHz语音压缩编码率/Kb/s用 途SACM_A子带编码1616、20、24播放语音及高保真音乐SACM_S480/S720CELP混合编码164.8、7.2播音SACM_S240参数编码242.4播音SACM_MS01FM音乐合成1616、20、24音乐合成SACM_DVR子带编码1616Kb/s的传输率，8Ksps的采样率ADC信道录音和DAC放音（2）语音数据的传输
SPCE061A的通用异步串口（UART）提供了一个8位全双工标准接口，用于完成SPCE061A与外设之间的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UART IRQ中断，可以同时完成UART接口的接收与发送数据的过程。根据应用需求，把UART设置为中断方式接收数据，以查询方式发送数据。
UART初始化程序InitUART见网络补充版（收集整理）。
2.2 上位机控制和存储模块
目前，Mircosoft公司的VC++6.0是基于Windows程序设计的主流开发工具之一。VC++不仅秉承了C++简便、灵活及面向对象等优点，而且提供了功能强大的MFC类库，并能自动生成应用程序框架，提供标准化的程序结构和用户接口。特别需要指出的是，为了今后调用低层的音频处理API函数，对由下位上传的音频数据进一步进行语音识别方面的处理，我们使用VC来编写上位机的控制及存储程序。
在实验室和工业应用中，RS232串口是常用的计算机与外部串行设备（单片机）之间的数据传输通道，由于串行通信简单易用，所以应用广泛。通常在VC++中有三种方法可以实现串行通信：
*使用VC++的标准通信函数_inp和_outp来实现串口通信；
*把串口看成是一个特殊的设备文件，使用有关文件处理的API函数来实现串口通信；
*使用ActiveX的串行通信控件MSComm来实现串口通信。
对于本实例来说，主要考虑的因素是实时语音数据存取，以及位机与下位机的配合。因此，采用了串行通信MSComm控件方法来实现串口通信。另外，可以采用二进制流文件Cfile类来存储声音文件。具体步骤见网络补充版。
结语
通过以上实例录制的语音数据，可以从PC机下载到SPCE061A中（或者作为资源文件放入工程中），使用SACM_A2000模块的函数播放验证，效果能够满足进一步语音信号处理需要。
用凌阳SPCE061A处理语音信号有如下独特之处：
*硬件电路简单，因SPCE061A是一款专门为语音信号处理设计的，麦克和喇叭可直接接入，用户不必外接放大电路等；
*软件编程容易，有相应的API函数，可直接调用。
*用ICE和图形界面编译软件，调试方便。
基于凌阳单片机的语音信号实时采集
摘要：语音信号采集是语音信号处理的基础。本文利用凌阳公司16位单片机――SPCE061A所具有的数字信号处理（DSP）功能及其所提供的.音频压缩函数库来实现语音信号的实时采样与压缩；通过RS232接口，将采集到的语音信号实时上传到PC机中存储。关键词：语音信号处理 RS232 串口通信 语音采样 语音压缩
引言
随着单片机集成化程度的不断提高，现代单片机已经具备了数字信号处理功能，使语音信号处理用单片机实现成为可能。台湾凌阳科技公司（SunPlus）推出的一款SPCE061A就是这样的产品。SPCE061A是以μ'nSP TM16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机，采用模块式集成结构，片内集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特别适合语音信号处理。本文介绍如何实现用SPCE061A单片机采集语音信号，并传送到PC机中的方法。
1 硬件系统结构
1.1 SPCE061A结构
SPCE061A的内部结构如图1，其特点如下：
*16位μ'nSP TM微控制器；
*工作电压：VDD为2.6～3.6V(CPU),VDDH为VDD～5.5V（I/O）；
*CPU时钟为0.32～49.152MHz；
*内置存储器：SRAM为2KB，内存Flash为32KB；
*可编程音频处理；
*2个16位可编程定时器/计数器；
*7通道10位ADC（内置麦克风放大和自动增益控制功能）；
*2个10位DAC；
*32路可编程通用输入输出端口；
*串行输入输出接口；
*低电压监测/低电压复位功能；
*14个中断源可来自定时器、外部时钟输入、键唤醒等；
*内置在线仿真电路ICE。
1.2 SPCE061A开发方法
SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的，如图2所示。它利用了SPCE061A内置的在线仿真电路ICE和凌阳公司的在线串行编程技术。如果读者想要使用该芯片及开发系统，可上网www.unsp.com.cn查询，并寻求大学计划的免费支持。
1.3 语音采集的硬件电路
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基于LabVIEW的USB实时数据采集处理系统的实现
摘要：介绍了以图形化编程语言LabVIEW为应用程序开发平台的USB数据采集处理系统的设计，并给出了LabVIEW对外部动态链接库的调用方法以及USB驱动程序的设计方法。关键词：USB LabVIEW 数据采集
通用串行总线USB（Universal Serial Bus）作为一种新型的数据通信接口在越来越广阔的领域得到应用。而基于USB接口的数据采集卡与传统的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、热插拔、传输速度快、通用性强、易扩展和性价比高等优点。
USB的应用程序一般用Visual C++编写，较为复杂，花费的时间较长。由美国国家仪器（VI）公司开发的LabVIEW语言是一种基于图形程序的编程语言，内含丰富的数据采集、数据信号分析分析以及控制等子程序，用户利用创建和调用子程序的方法编写程序，使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护，而且程序编程简单、直观。因此它特别适用于数据采集处理系统。利用它编制USB应用程序，把LabVIEW语言和USB总线紧密结合起来的数据采集系统将集成两者的优点。USB总线可以实现对外部数据实时高速的采集，把采集的数据传送到主机后再通过LabVIEW的功能模块顺利实现数据显示、分析和存储。
1 USB及其在数据采集设备中的应用
USB自1995年在Comdex上亮相以来，已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配置了USB接口，Microsoft的Windows 98、NT以及Mac OS、Linux等流行操作系统都增加对USB的支持。USB具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等主要优点，应用越来越广泛。
一个实用的USB数据采集系统硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根据系统需要添加的A/D转换器和EPROM、SRAM等。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰性，尤其对A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的选择上有两种方式：一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片；另一种是采用具备USB通信功能的单片机。USB的另一大优点是可以总线供电，在数据采集设备中耗电量通道不大，因此可以设计成总线供电。
一个USB设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和写进ROM里面的Firmware。Windows98提供了多种USB设备的驱动程序，但还没有一种专门针对数据采集系统，所以必须针对特定的设备编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事。通常采用Windows DDK实现，但现在有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具，如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等软件能够轻易地生成高质量的USB驱动程序。单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予充分的重视。以上两个程序是开发者所关心的`，而用户却不太关心。用户关心的是如何高效地通过鼠标操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据。因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面、强大的数据分析和处理能力以及提供给用户进行再开发的接口。
(本网网收集整理)
2LabVIEW及其外部动态链接库的调用
LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司开发的一种基于图形程序的虚拟仪表编程语言，其在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序称为虚拟仪器程序（简称VI），主要包括两部分：前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码。其用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW的强大功能在于层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而且，调用阶数可以是任意的。LabVIEW这种创建和调用子程序的方法使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护。LabVIEW编程方法与传统的程序设计方法不同，它拥有流程图程序设计语言的特点，摆脱了传统程序语言线形结构的束缚。LabVIEW的执行顺序依方块图间数据的流向决定，而不像一般通用的编程语言逐行执行。在编写方框图程序时，只需从功能模块中选用不同的函数图标，然后再以线条相互连接，即可实现数据的传输。
LabVIEW虽有接口卡的驱动和管理程序，但主要是针对NI公司自己生产的卡。对于普通的I/O卡，还不能直接被LabVIEW所应用，必须采取其他方法。其中可以用LabVIEW的PortIn和PortOut功能，但此法应用简单，无法实现较复杂的接口功能。而采用动态链接库，可以根据具体需要编写适当的程序，灵活利用LabVIEW的各项功能。用户可以自己编写DLLs实现LabVIEW与硬件的链接。用VC++6.0编制动态链接库，首先生成DLL框架，AppWizard将自动生成项目文件，但不产生任何代码，所有代码均需用户自己键入。DLL需要的文件有：①h函数声明文件；②c源文件；③def定义文件。H文件的作用是声明DLL要实现的函数原型，供DLL编译使用，同时还提供应用程序编译使用。C文件是实现具体文件的源文件，它有一个入口点函数，在DLL被初次调用的运行，做一些初始化工作。一般情况下，用户无须做什么初始化工作，只需保留入口点函数框架即可。def文件是DLL项目中比较特殊的文件，它用来定义该DLL项目将输出哪些函数，只有该文件列出的函数才能被应用函数调用。要输出的函数名列在该文件EXPORTS关键字下面。
3 基于AN2131Q的单光子采集系统
该采集系统由笔者自行开发并用于单光子计数种子活性快速检测仪中。它主要由将光子信号转为电信号的光电倍增管（PMT）及其辅助电路和基于AN2131Q的USB采集卡组成。PMT及其前置放大器、放大器、甄别器等辅助电路能将微弱的光子信号转换为15ns的标准TTL脉冲信号，脉冲信号经过分频处理后再被USB采集，USB将采集的结果实时地传给主机处理。
3.1 USB采集卡的硬件组成
该采集卡由微控制器、USB通信接口、主机以及数字I/O端口组成，如图1所示。
笔者设计了一种同步传输方式的单片方案，应用了内置微处理器的USB设计――EZ-USB AN2131Q。它是Cypress公司的一种内嵌微控制器的80脚USB芯片，包含三个8位多功能口，8位数据端口，16位地址端口，二个USB数据端口，二个可定义16位的定时/计数器和其他输入输出端口。其采用一种基于内部RAM的解决方案，允许客户随时不断地设置和升级，不受端口数、缓冲大小和传输速度及传输方式的限制。片内嵌有一个增强型8051微控制器，其4个时钟的循环周期使它比标准8051的速度快3倍。采用同步传输方式将单片机的计数值实时传送给主机，而主机对计数器的控制信号则采用块传输方式传送。EZ-USB是Cypress公司推出的USB开发系统，它为USB外设提供了一种很好的集成化解决方案。EZ-USB在其内核已做了大量繁琐的、重复性的工作，这样就简化了开发代码，进而缩短了开发周期。此外，开发商还提供了配套的开发软件（包括编译软件uVision 51、调试软件dScope 51、控制软件EZUSB Controll Panel）以及驱动程序GPD（General Purpose Driver）接口，以便于用户进行开发使用。
图2 开启设备和获取采集数据的流程图
3.2 USB采集卡的软件构成
在USB的Firmware中，采取同步传输（Isochronous Transactions）和块传输（Bulk Transactions）两种传输方式。同步方式用来实时传送采集的数据，块传输主要用来传输主机命令信号和USB的状态信息。块传输中利用端点（Endpoint）2。两种传输方式的核心中断程序如下：
void ISR_Sutok(void)interrupt 0 //块传输方式
{
//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 //同步传输方式
{
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应用程序中设计了一Usb.dll文件作为LabVIEW与USB的驱动程序。由于EZ-USB开发系统中已经提供了底层驱动程序（GPD）接口函数，用户只需调用这些函数即可与USB设备连接。因此在DLL的编制中只需调用它提供的函数，大大节约了开发时间，提高了开发速度。创建的Usb.dll文件中包含了如下五个输出函数，功能说明如表1所示。
表1 Usb.dll包含函数的功能说明
Control主机对USB设备的控制ReadResult获取USB发送到主机的数据StartIsoStream启动设备的同步传输流StartThread得到标准设备的设备描述符StopThread关闭设备的同步传输流其定义如下：
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)；
开启设备和获取采集数据的过程如图2所示。它的主要功能有：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道（pipe）和端点（endpoint）、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。
程序在VC++6.0环境下编制成功后自动生成DLL文件。调用时，在框图程序窗口打开FunctionPalette（功能模板），在Advanced模块包含有对库函数的调模块，即CallLibraryFunction。把编写好的DLLs放在当前目录或特定目录下。在功能模板放置函数调用模块，然后选Configure，出现对话框。根据LabVIEW与DLLs的参数对应关系填写好DLL文件的路径（DLL文件不在当前目录下）、被调用函数名、参数的类型及返回类型。需要注意的是，当调用多个函数时要分别填写参数的个数和对应的类型，而且在调用过程中应保持数据位的一致。填好选择OK按钮后，LabVIEW将自动生成各参数的入口及出口状态，这样就实现了LabVIEW与DLLs的调用。
通过上述方法成功实现了LabVIEW与USB驱动程序的数据交换，从而实现了以LabVIEW为应用程序的USB实时采集处理系统。将USB采集卡增加A/D或D/A并对电路作相应的改动后，即可实现传统采集卡的所有功能。很明显，这种集成了USB接口优点和LabVIEW图形化编程语言的采集处理系统与传统采集卡相比具有不可比拟的优势，不仅性价比高、通用性高、易于开发、数据处理简单，且可以大大缩短开发时间。
VFP作为新一代数据库管理系统，在数据的存取、编辑、显示、处理等方面具有强大和丰富的工具，在国内外得到了广泛应用，在许多工业应用中，往往要对现场模拟数据进行A/D转换且实时处理，由于VFP不能对端口进行直接访问，因而无法实现数据采集。幸好VFP提供了DDE功能。DDE是Windows应用程序之间进行动态信息传递和共享的一个消息协议，利用DDE可实现Windows的服务程序和客户程序的相互独立运行，具有很好的实时性。在实践中，我们利用高级语言BorLand C++ for Windows实现96路A/D数据采集，并以此为服务程序；在VFP环境下建立客户程序，将服务程序传递过来的数据及时进行运算处理后，存入数据库，并作为各种表单、报表、曲线的数据源。该方法在VB或ACCESS97环境下同样适用，只要将客户程序稍加修改即可。下面就如何实现VFP环境下的实时数据采集作一介绍。1.建立数据采集服务程序
----服务程序包括二个基本部分：其一是WinMain入口函数，它主要完成一此初始化任务，建立一个名为hwnd的原始数据显示窗口，服务程序名为PFBCdas。其二是应用程序功能函数MainWndProc。下面是程序清单（因篇幅关系，在此省去WinMain函数）。
#define AD_Interval 1000 //采样周期为 1000ms
#define base 0x280 // A/D采样板基地址
/* base+k (k=1,2,…14)为A/D板各寄存器地址 */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int i, j, k , AD_Status, idTimer;
int AD_Data[8][16]; // A/D数据存储单元
int DdeAdviseStatus=0;
char buf[64], DDEbuf[2048]; //数据暂存缓冲器
char szAppName[]=“PFBCdas”; //服务程序名
char szDdeTopic[]=“AD001”; //主题名
char szDdeItem[]=“DATA”; // 数据项名
long FAR PASCAL _export MainWndProc(HWND, UINT, UINT, LONG) ;
long FAR PASCAL _export MainWndProc (HWND hwnd, UINT message, UINT
wParam, LONG lParam)
//应用程序功能函数
{
ATOM aAppName,aTopic;
ATOM aItem;
GLOBALHANDLE hDdeData;
DDEDATA FAR *lpDdeData;
static HWND hwndClient;
switch (message)
{
case WM_CREATE:
idTimer=SetTimer(hwnd,NULL,AD_Interval,NULL);
//打开定时器
outportb(base+11,0x10); //选择软件触发方式
outportb(base+9,1); //选择输入信号放大倍数为10
outportb(base+14,0);
outportb(base+13,0); //清A/D完成位
outportb(base+10,0); //选择通道0
return 0;
case WM_TIMER:
for(i=0;i<6;i++)
for(j=0;j<16;j++) //采样点为6*16=96个
{
outportb(base+13,j);
outportb(base+10,i);
outportb(base+12,0); //启动A/D转换
do AD_Status=inportb(base+5);
while ((AD_Status&0x10)==0x10);
//判转换是否结束?
AD_Data[i][j]=(inportb(base+5)&0x0f)*256+inportb(base+4);
/* 读A/D转换后的数字值 */
}
_strdate(buf); //取采样日期
strcpy(DDEbuf,buf);
strcat(DDEbuf,“,”);
_strtime(buf); //取采样时间
strcat(DDEbuf,buf);
strcat(DDEbuf,“,”);
for(i=0;i<6;i++)
for(j=0;j<16;j++)
{
char temp[32];
strcat(itoa(AD_Data[i][j],buf,10),“,”);
/*各采样数据之间以逗号分隔*/
strcat(DDEbuf,buf);
}
if(DdeAdviseStatus!=0) //如果建立了DDE服务
{
aItem = GlobalAddAtom (szDdeItem) ;
//添加DDE数据项为全局原子
hDdeData = GlobalAlloc (GHND | GMEM_DDESHARE,
sizeof (DDEDATA) + strlen (DDEbuf)) ;
/*给采样数据分配全局内存块*/
lpDdeData = (DDEDATA FAR *) GlobalLock (hDdeData) ;
lpDdeData->fResponse = 0 ;
lpDdeData->fRelease = 1 ;
lpDdeData->fAckReq = 0 ;
lpDdeData->cfFormat = CF_TEXT ;
//采样数据为文本格式
lstrcpy ((LPSTR) lpDdeData->Value,DDEbuf) ;
/*将采样数据从缓冲器放至DDE内存*/
GlobalUnlock (hDdeData) ;
if(!PostMessage(hwndClient,WM_DDE_DATA,hwnd,
MAKELONG(hDdeData,aItem))) //发送DDE数据
{
GlobalFree(hDdeData);
//若发送失败，则释放资源
GlobalDeleteAtom(aItem);
}
}
return 0;
case WM_DDE_INITIATE: //DDE初始化
hwndClient=wParam;
hdc=GetDC(hwnd);
