LabVIEW与USB的直接数据通信

　　1 引言

   　　LabVIEW是一种基于图形程序的虚拟仪器编程语言，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程序采用方框图编程，具有友好的人机界面，在前面板中有用于模拟真实仪器面板的控件可供调用，可用于设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。实现LabVIEW对数据的采集和处理，传统的是采用数据采集卡，但是这些数据采集设备存在安装不便、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其做电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。在LabVIEW下使用USB总线，可以同样实现数据采集，并且弥补了采集卡的不足。
   　　传统的用LabVIEW读写USB设备的方法是：先用VC或Delphi编写动态链接库DLL文件，在DLL中通过调用WIN API函数读写USB设备的数据，并存在缓冲区中，在LabVIEW中通过对DLL文件的调用提取缓冲区中的数据。介绍了在LabVIEW下，通过调用NI-VISA子程序控件，实现与USB设备的直接通信，避免了二次编程的麻烦和数据的中转。
   　　2 USB底层驱动程序设计
   　　USB底层驱动开发工具有Windows DDK和第三方开发工具，如Driver studio和 Win driver等，但是使用这些工具开发驱动难度大、效率底。在这里，介绍如何借用LabVIEW的NI-VISA子程序控件作为USB的底层驱动。
   　　VISA(Virtual Instrument Software Architecture，ni.corn/visa)是一个用来与各种仪器总线进行通讯的高级应用编程接口(API)。他不受平台、总线和环境的限制。通用串行总线(USB)是一个基于信息的通讯总线。这表示PC机与USB设备通过发送指令和数据进行通讯，而这些指令和数据是通过总线以文本或二进制数据的形式发送的。每个USB设备都有各自的指令集。可以使用NI-VISA的读写功能向仪器发送这些指令，并读取仪器的反馈。
   　　NI-VISA从3.0版开始支持USB通讯，他有2种VISA类函数(Resource Class)，可以控制2类USB设备：USB INSTR设备与USB RAW设备。符合USB测试和测量类(USBTMC)协议的USB设备可以通过使用USB INSTR类函数控制，他们使用488.2标准通讯。对于这些设备，只需以与GPIB仪器通讯同样的方式，使用"VISA Open"，"VISA Close"，"VISA Read"和"VISAWrite"功能。USBTMC设备符合VISA USB INSTR类函数能够理解的协议。USBTMC设备相对来说控制较为复杂，因为每个设备可以使用各自的通信协议，而这些通信协议一般都是由设备的生产厂家自定的。
   　　为了使用NI-VISA，必须先让Windows将NI-VI-SA作为设备的缺省驱动程序使用。在Windows环境中，可以通过INF文档做到这一点。INF文件是系统硬件设备配置文件，USB驱动程序通过INF文件中的PID(产品识别号)和VID(厂商识别号)识别USB设备。NI-VISA 3.0中包含的VISA Driver Development Wizard(DDW)可以为USB设备创建一个INF文档。下面简单介绍创建INF文档的过程：
   　　(1)在安装了NI-VISA后，启动VISA Driver Devel-opment Wizard程序，出现了为PXI/PCI或USB设备创建一个INF文档的向导，选择USB设备，点NEXT，出现VI-SA DDW基本设备信息窗口。
   　　(2)进行这一步时，需要清楚USB的PID和VID。这些数字可以在安装USB设备的时候对其进行确认，并在想要与设备通讯的时候，寻找他的地址。依据USB的规格，两个数字都是16位16进制数字，并应该由设备制造商提供。例如在后面介绍基于USB的虚拟示波器用到USB接口芯片PDIUSBD12的PID和VID分别是0x0471和0x0666;这一步设置完成后，点击NEXT，进行最后一步的设置。
   　　(3)USB Instrument Prefix(USB仪器前缀)只是一个描述符，可以用他来识别本设备所用的相关文档。在USB Instrument Prefix中输入相应信息，并在"output file directory"中选择存放这些文档的目录，然后点击Finish。INF文档就被建好并保存至指定的位置。
   　　这时候，只要复制生成的INF文件夹到系统盘Win-dows文件夹下INF文件夹，点击右键，安装即可。这时，插上USB设备，Windows系统就能探测到，并根据INF硬件配置文件选择NI-VISA作为底层驱动程序。在Lab-VIEW中，只需调用NI-VISA的相关控件，即可实现对USB设备的读写操作。
   　　3 LabVIEW驱动程序编写
   　　强大、灵活的仪器控制功能是LabVIEW区别于其他编程语言的主要特点。LabVIEW不仅提供数百种不同接口测试仪器的驱动程序，而且还支持VISA，SCPI和IVI等最新的程控软件标准，为用户设计开发先进的测试系统提供了软件支持。VISA是用于仪器编程的标准I/O函数库及相关规范的总称，一般称之为VISA库。VISA库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的软件层连接，用以实现对仪器的程控。对软件开发者来说，他是一个可调用的操作函数集，他本身不提供仪器编程能力，只是一个高层API(应用程序接口)，通过调用底层的驱动程序来控制仪器设备。
   　　NI-VISA支持3种类型的USB管道：控制、批量和中断。NI-VISA探测到USB仪器时，他会对仪器进行自动扫描，寻找各种类型的最低可用端点。如使用NI-VI-SA中的VISA USB Control In和VISA USB Control Out来通过控制型管道传输数据，使用VISA Read和VISAWrite来通过批量型管道传输数据。
   　　作为仪器I/O函数库，VISA编程与传统的I/O软件编程基本相同，主要通过设备I/O端口的读写操作和属性控制，实现与仪器的命令与数据交换。LabVIEW中所有的VISA节点均在Function模板→All Functions子模板→Instrument I/O子模板→VISA子模板中。在这里，只用到了VISA Open，VISA Close，VISA Write和VISARead四个节点即可实现和USB设备的双向通信。当完成对USB设备的INF硬件配置后，就可以用VISA Open节点打开该资源，建立计算机与这些VISA资源的通信管道;与VISA Open节点相反，VISA Close节点用于将打开的VISA资源关闭;VISA Write节点的功能是将writebuffer端口输入字符串数据发送到仪器中;VISA Read节点的功能是从仪器中读出数据；
   　　介绍完上面的4个节点，就可以用上面4个节点实现LabVIEW对USB批量数据收发，如图1所示。当然，这需要前述INF文件的支持和与USB接口的单片机程序的支持，在图1中VISA resource name端口用于指定需要打开的VISA资源的名称，实际上就是前面生成INF配置文件中的VISA资源仪器描述符。这里，向USB发送字符串“connect test”，连接测试，单片机通过USB接口芯片将发送过去的数据回传给LabVIEW。在前面板的read buffer显示框中能显示出“connect test”字符串。
   
   　　4 基于IJSB的虚拟示波器的实现
   　　本系统为在LabVIEW中实现示波器的功能。单片机对向USB示波器调理电路输出的信号进行96 k(多档可调)的高速连续AD采样，并将采样到的数据通过USB口传给PC机的LabVIEW，LabVlEW对USB口传来的数据进行处理、测量、波形还原和显示等相关操作。虚拟示波器的程序运行界面如图2所示，当前输入的是2.001 kHz的正弦波信号，在软件中显示的波形以及测量结果与实际示波器上 得到的结果基本无异。在该程序模块中，通过调用Lab-VIEW的相关控件，实现了对输入的模拟信号的波形还原显示、频率测量、峰值测量、直流漂移测量等操作。
   
   　　系统采用单片机和Philip公司生产的PDIUSBD12芯片构成USB设备。由单片机实现AD采样，经USB接口完成采样数据的传输。单片机的电路设计和软件构成在这里就不做详细介绍。
   　　此系统硬件部分USB接口芯片采用的PDIUSBD12，他支持批量数据的长度为64B，所以就以64B为一帧进行数据和命令的收发。在系统启动即检测USB设备是否连接正常，正常才启动检测，否则提示连接不正常。当启动检测时，USB总线上的数据的传输过程遵循以下步骤：
   　　(1)LabVIEW向USB设备发送启动控制命令帧，其中包含采样频率、存贮深度、持续时间等相关内容。由于控制命令字不满64B，其他部分进行比特填充。
   　　(2)单片机通过USB接口芯片接收到控制命令，即按要求开始启动采样。若为大于8k高速采样命令，则进行连续采样，将采样的数据存贮在数据缓冲区中，采样结束后，将数据缓冲区中的数据进行60B每帧的拆分，并在60B数据的前面加上4个字节的数据帧编号等相关内容，通过USB总线将这些数据帧批量传输给LabVIEW。
   　　(3)若为小于8k的低速采样命令，则进行中断采样，将采样的数据存储在一个队列中，在采样过程中，若采样的数据多于60B，即在主程序中取出队列中60个字节数据并封装成数据帧，启动USB数据的传输过程。采样过程直至LabVIEW向USB设备发送停止命令帧。
   　　(4)在一次数据采样结束后，LabVIEW向USB设备发送启动控制命令帧即可马上进行再次采样。
   　　5 结语
   　　用户可以根据不同的环境和要求选择不同的通信方式，在低速的情况下可以采用串口，并口等方式，高速数据采集可以采用USB口，专用数据采集卡等，使用USB2.0协议的芯片支持的批量的数据帧长度可以达到512B，并且有更高的数据传输速度。介绍了在LabVIEW中实现USB通信的设计方法，并给出具体的设计步骤和方框图程序。该方法具有硬件接口简单、软件编程方便、实用的特点，在实际数据采集过程中具有一定参考价值。