作者：涂望明，魏友國(guó)，張學(xué)志，謝存，梁季程

1、 引言

嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）被定義為以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它是面向用戶、產(chǎn)品和用戶的，它具有功耗低、體積小、可靠性高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。該嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式微控制器（microcontroller unit）為核心，以單片機(jī)89C52和Philip公司的單純的USB接口芯片PDIUSBD12為主要器件，所以該檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)USB接口設(shè)備，而USB接口設(shè)備在生活中已經(jīng)隨處可見(jiàn)了，它由三部分組成：具有USB接口的PC系統(tǒng)，能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設(shè)備。它的提出是基于采用通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目地。它的最顯著優(yōu)點(diǎn)是支持熱插拔，當(dāng)用戶插入U(xiǎn)SB外設(shè)后，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別接入的外設(shè)，而不需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

用戶對(duì)USB設(shè)備的控制是通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)USB設(shè)備，它必須先與驅(qū)動(dòng)程序通信，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)USB設(shè)備。所以，應(yīng)用程序的工作是把用戶的對(duì)設(shè)備的請(qǐng)求翻譯成相應(yīng)的控制代碼，并將其傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)還負(fù)責(zé)接收從驅(qū)動(dòng)程序返回的數(shù)據(jù)。為對(duì)應(yīng)用程序的工作原理有一個(gè)較深入的了解，下面先總體介紹一下應(yīng)用程序與USB設(shè)備的通信流程。

2、 USB總線特性

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線”。它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。

那么為什么選用USB呢？因?yàn)樗哂泻芏嗪芎玫奶匦?。包括?/p>

2.1 使用方便

使用USB接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔。在軟件方面，為USB設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶干預(yù)。 USB設(shè)備也不涉及IRQ沖突等問(wèn)題，它單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其它設(shè)備爭(zhēng)用PC機(jī)有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。USB設(shè)備能真正做到“即插即用”。

2.2 速度加快

快速性能是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。USB接口的最高傳輸率比串口快了整整100倍，也比并口快了十多倍。今后USB的速度還將會(huì)不斷提高。

2.3 連接靈活

USB接口支持多個(gè)不同設(shè)備的串列連接，一個(gè)USB口理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。而每個(gè)外設(shè)間距離（電纜長(zhǎng)度）可達(dá)5米。USB還能智能識(shí)別USB鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。 在USB方式下，所有的外設(shè)都在機(jī)箱外連接，不必打開(kāi)機(jī)箱；

2.4 獨(dú)立供電

普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要，因?yàn)閁SB接口提供了內(nèi)置電源。USB電源能向低壓設(shè)備提供5V的電源，因此新的設(shè)備就不需要專門(mén)的交流電源了，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比。

3、通信流程

在應(yīng)用程序與設(shè)備開(kāi)始通信之前，設(shè)備必須先連接在總線上。然后Windows檢測(cè)該設(shè)備，通過(guò)設(shè)備列舉，取得設(shè)備的各種描述符。Windows將從該設(shè)備所讀取的描述符，與它的.inf文件做比較來(lái)識(shí)別該設(shè)備，找出應(yīng)該使用哪個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)與設(shè)備通信，然后載入選定的驅(qū)動(dòng)程序。

接下來(lái)應(yīng)用程序取得一個(gè)設(shè)備的句柄，此句柄讓?xiě)?yīng)用程序識(shí)別該設(shè)備以及與它通信。設(shè)備的句柄是一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)符，由Windows指定給每個(gè)設(shè)備的實(shí)例變量。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用帶有一個(gè)能識(shí)別該設(shè)備的符號(hào)鏈接的CreateFile API函數(shù)，來(lái)取得該設(shè)備的句柄。該符號(hào)鏈接包含一個(gè)全域惟一標(biāo)識(shí)符（globally unique identifier，GUID）。GUID是一個(gè)128位的號(hào)碼，Windows用來(lái)惟一識(shí)別一個(gè)對(duì)象。

當(dāng)設(shè)備已經(jīng)連接好準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)后，主機(jī)就可以開(kāi)始要求傳輸。當(dāng)用戶要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)捕獲單位的數(shù)據(jù)時(shí)，他可以按下應(yīng)用程序的按鈕來(lái)讀取一個(gè)讀數(shù)，或是選擇讓?xiě)?yīng)用程序每分鐘要求一個(gè)讀數(shù)。

在用戶請(qǐng)求一個(gè)傳輸之后，應(yīng)用程序開(kāi)始與設(shè)備通信。它通過(guò)API函數(shù)來(lái)與USB設(shè)備溝通。API包含有3個(gè)與設(shè)備交換數(shù)據(jù)的函數(shù)：ReadFile，WriteFile和DeviceControl。 ReadFIle與WriteFile是一般用途的函數(shù)，用來(lái)讀取與寫(xiě)入數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)。讀取與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，是儲(chǔ)存在函數(shù)所指定的緩沖區(qū)內(nèi)。DeviceIoControl是另一個(gè)傳輸緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的函數(shù)，它包含一個(gè)碼用來(lái)識(shí)別一個(gè)特定的要求。與ReadFile和WriteFile不同的是，DeviceIoControl函數(shù)可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序啟動(dòng)一個(gè)API調(diào)用來(lái)讀／寫(xiě)一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，Windows把此調(diào)用傳遞給合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為USB總線類驅(qū)動(dòng)能理解的格式。

當(dāng)應(yīng)用程序與設(shè)備的通信結(jié)束時(shí)，對(duì)于此設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄就必須通過(guò)CloseHandle API釋放出來(lái)。當(dāng)其中的一個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用CloseHandle函數(shù)，驅(qū)動(dòng)程序首先收到“清除”IRP，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)在“清除”例程中清除和此設(shè)備有關(guān)的待處理的IRP。然后收到“關(guān)閉”設(shè)備對(duì)象。到此，一個(gè)完整的通信過(guò)程就完成了。

4、應(yīng)用程序的工作過(guò)程

應(yīng)用程序在工作前首先要獲得設(shè)備的內(nèi)部名，按內(nèi)部名打開(kāi)其驅(qū)動(dòng)程序，然后發(fā)送控制代碼。如圖1所示。

圖1 應(yīng)用程序的工作過(guò)程

設(shè)備的內(nèi)部名是操作系統(tǒng)為設(shè)備分配的全局唯一的標(biāo)識(shí)符，需要用操作系統(tǒng)的API來(lái)獲得。具體的過(guò)程如下：

a.通過(guò)GUID號(hào)獲得設(shè)備信息句柄；

b.通過(guò)設(shè)備信息句柄獲得設(shè)備接口句柄；

c.用設(shè)備接口句柄獲取設(shè)備詳細(xì)信息；

d.在設(shè)備詳細(xì)信息中取得設(shè)備內(nèi)部名；

e.釋放所用的內(nèi)存資源。

獲得設(shè)備的內(nèi)部名后，調(diào)用CreateFile函數(shù)就可打開(kāi)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，該函數(shù)返回一個(gè)指向驅(qū)動(dòng)程序的句柄。

取得了驅(qū)動(dòng)程序的句柄后，調(diào)用函數(shù)DeviceIoControl就可發(fā)送控制代碼對(duì)設(shè)備進(jìn)行通信。

5、開(kāi)發(fā)工具

應(yīng)用程序是用Visual C++6.0來(lái)編寫(xiě)的。Visual C++6.0是Microsoft公司在1998年推出的基于Windows9x和WindowsNT的優(yōu)秀集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）Visual C++的最大特色就是提供面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持，它利用類把大部分與用戶界面設(shè)計(jì)有關(guān)的函數(shù)封裝起來(lái)，通過(guò)MFC（Microsoft Foundation Class）類庫(kù)的方式提供給開(kāi)發(fā)人員使用，大大提高了程序代碼的重用性。

（2） Visual C++提供一個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序生成向?qū)?-----AppWizard。AppWizard將幫助MFC類庫(kù)的用戶自動(dòng)生成一個(gè)運(yùn)行程序框架------一個(gè)空的不能做任何事情的應(yīng)用程序，而用戶只需要在該框架的適當(dāng)部分?jǐn)U充代碼就可以得到一個(gè)滿意的應(yīng)用程序。

（3）Visual C++利用“所見(jiàn)即所得”的方式完成程序界面的設(shè)計(jì)，大大減輕了程序設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了開(kāi)發(fā)效率。

（4）Visual C++的功能強(qiáng)大，用途廣泛，不僅可以編寫(xiě)普通的應(yīng)用程序，還能很好地進(jìn)行系統(tǒng)軟件及通信軟件的開(kāi)發(fā)。

結(jié)束語(yǔ)：功能強(qiáng)大的USB規(guī)格已經(jīng)成為PC的眾多標(biāo)準(zhǔn)之一，鉆研計(jì)算機(jī)科技的種種發(fā)展，都離不開(kāi)USB的相關(guān)知識(shí)。本文創(chuàng)新點(diǎn)：使用USB通信方面的具體協(xié)議，設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用程序完成USB設(shè)備與PC主機(jī)的具體通信，設(shè)計(jì)出適合用戶需求的USB設(shè)備。研制出此檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能快速檢測(cè)出雷達(dá)的多種性能參數(shù)，而且使用方便、體積小、便于攜帶、穩(wěn)定性好，極大地改善了檢測(cè)手段和方法，提高了效率，在裝備檢測(cè)和維修上產(chǎn)生了極大的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益（50萬(wàn)元）。

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