基于CH371的USB接口虛擬示波器設計

摘要：本文介紹一款USB接口的虛擬示波器的設計方案，重點介紹了USB總線接口芯片CH371的原理及應用，降低了USB系統(tǒng)開發(fā)的門檻，并達到令人滿意的效果。

關鍵詞：USB接口，虛擬示波器，CH371，高速數(shù)據(jù)采集

一、引言

對于學校教學實驗以及某些特定需求來說，目前市場上的模擬及數(shù)字示波器也許并不適用，價格高昂、體積較大且很多專業(yè)功能并不實用。而現(xiàn)在電腦的普及程度也達到了相當?shù)囊?guī)模，利用電腦以及附加的數(shù)采模塊實現(xiàn)一個靈活便捷的虛擬示波器能夠滿足大多數(shù)的工作、學習和開發(fā)需要，并且可以通過較低代價的硬件和軟件升級實現(xiàn)相當復雜的信號處理功能，能夠以較低的成本、較小的體積實現(xiàn)配置靈活的智能儀器組合；完全可以與便攜電腦結(jié)合，構(gòu)成便攜式檢測維修工作站。目前已經(jīng)有計算機并口通信的數(shù)據(jù)采集器，但是USB的應用日趨廣泛和深入，如果將USB功能融合在里面則可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸率、更方便的使用方式，更為優(yōu)越的體現(xiàn)出虛擬儀器的性能。

二、硬件設計

此虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集器由以下功能模塊組成：前端信號變換模塊、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)據(jù)緩沖模塊、單片機控制模塊、USB接口模塊和電源模塊。前端信號變換、高速數(shù)據(jù)采集有成熟的方案并且可根據(jù)需要的指標，譬如采樣率、量程控制、采樣深度等進行設計，我們這里主要討論USB接口部分的開發(fā)。

USB接口的開發(fā)以往都是一個令人頭痛的問題，盡管很多設計者向往USB接口高速傳輸、自主供電、即插即用的優(yōu)點，但較難逾越它的協(xié)議固件開發(fā)和驅(qū)動程序開發(fā)的障礙。在這個方案里，筆者選用了一款不需要開發(fā)協(xié)議固件和驅(qū)動程序的USB總線接口芯片。

南京沁恒公司（www.winchiphead.com）推出的CH371是一個USB總線的通用接口芯片，它利用硬件邏輯屏蔽了USB 通訊中的所有協(xié)議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接?；贑H371，設計者不需要了解任何USB協(xié)議、固件程序以及驅(qū)動程序，可以輕松地將原來的并口、串口的產(chǎn)品升級到USB接口，以較低的風險和成本享用USB接口帶來的優(yōu)越性。

使用時在本地端，CH371具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，就像操作一般外設芯片一樣方便地掛接到DSP、MCU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計算機端，CH371的配套軟件包括通用驅(qū)動程序以及應用軟件包，提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通訊就如同讀寫硬盤中的文件一樣簡單，開發(fā)者可以使用VB、VC、C++Builder等高級語言進行開發(fā)。一般情況下，基于CH371設計USB產(chǎn)品不必考慮USB通訊協(xié)議、固件程序、驅(qū)動程序、配置過程、底層數(shù)據(jù)傳輸過程。設計者所要做的工作與設計并口、串口的產(chǎn)品一樣，包括兩件事：一是從計算機的應用層發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求并接收應答；二是當USB 產(chǎn)品的控制器被通知有數(shù)據(jù)傳輸請求時，作出應答。

同時，CH371在提供了透明的USB協(xié)議的基礎上還提供了I2C器件的直接管理、16個地址的直接讀寫以及復位、看門狗等功能，本地端甚至不使用單片機就可完成簡單的控制功能，因此具有較強的功能適應性，能夠滿足不同場合的需要，有效的降低系統(tǒng)成本。

在本系統(tǒng)中使用的是SOP28封裝的產(chǎn)品，他的管腳定義如下表：

根據(jù)不同的工作方式，芯片的接口類型可以有以下幾種：被動并行接口、I2C主接口、主控方式接口。其中被動并行接口是最常用的方式，它提供單片機與計算機的連接，CH371作為單片機的一個被動外設；I2C主接口是CH371在計算機端程序的控制下不經(jīng)過單片機直接讀寫一個EEPROM器件（譬如24C04等），經(jīng)常用于USB外設的產(chǎn)品信息紀錄；主控方式接口是不使用單片機，由計算機端程序直接控制CH371提供的16個地址的8位數(shù)據(jù)讀寫或者是十幾根IO口線，此方式主要用于完成相對簡單的外部控制任務。這幾種接口方式并非完全對立的，可以根據(jù)需要靈活配置。在此虛擬示波器中則將其使用為單片機的一個外設器件，同時將A3~A0用于主控方式由計算機控制四只LED。

單片機對于CH371的控制依靠對其內(nèi)部的16個寄存器的操作來實現(xiàn)。這16個寄存器的地址有兩種定義方式。一種是上電復位后默認為直接地址方式，A3~A0四個管腳為寄存器地址，這種方式較為簡單，但是需要使用單片機較多的IO口資源；另一種是當CH371檢測到ALE腳上的上升沿信號后，切換到復用地址方式，寄存器地址由數(shù)據(jù)總線的D3~D0來控制，根據(jù)ALE的跳變來判斷是寄存器操作還是數(shù)據(jù)讀寫。在此設計中由于大容量數(shù)據(jù)緩沖需要使用到74373作為地址鎖存，所以即使使用直接地址方式也無需多占用單片機資源，但是為了將A3~A0節(jié)省出來驅(qū)動LED所以選用復用地址方式。

根據(jù)系統(tǒng)的要求我們設計硬件如下。

USB接口提供數(shù)據(jù)交換及電源供應（經(jīng)適當變換后供高速AD使用），CH371在12M晶振下倍頻工作，提供與單片機接口的同時提供看門狗復位輸出功能，I2C主控功能沒有使用，A3~A0可以由計算控制驅(qū)動4只LED作為工作顯示信號。單片機89C52的P1口組用于控制數(shù)據(jù)采集模塊，包括量程轉(zhuǎn)換控制、AD觸發(fā)信號、采集數(shù)據(jù)溢出信號等；高速緩存62256通過低功耗的CPLD控制存放高速AD采集的結(jié)果，單片機定時將其中數(shù)據(jù)讀出經(jīng)CH371傳送到計算機的數(shù)據(jù)顯示和分析軟件，實現(xiàn)虛擬示波器功能。單片機、CH371和RAM部分原理圖如下：

圖三 單片機、CH371和RAM部分原理圖

三、軟件設計

單片機端軟件：

單片機端軟件主要完成數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)報告這兩個功能。其中數(shù)據(jù)采集控制根據(jù)計算機端軟件設定的增益、時基、觸發(fā)等參數(shù)控制數(shù)據(jù)采集模塊，這里面要用到計算機向單片機發(fā)送少量的控制信息；數(shù)據(jù)報告功能則需要單片機將緩存中的一個采集周期的所有數(shù)據(jù)傳送給計算機端軟件，這屬于大批量數(shù)據(jù)的傳輸。我們把介紹的重點放在單片機與計算機的通信上面。

單片機與計算機通信是通過對CH371的寄存器操作實現(xiàn)的，有關其寄存器定義的具體情況請參考數(shù)據(jù)手冊。

在應用中需要注意的是，CH371提供的單片機接收緩沖區(qū)為8個字節(jié)，多于8個字節(jié)的計算機下傳數(shù)據(jù)被切分；而單片機的發(fā)送緩沖區(qū)也是8個字節(jié)，多于8個字節(jié)的上傳數(shù)據(jù)需要分多次上傳。另外，CH371的中斷包括了上傳及接受成功，中斷發(fā)生后具體的情況需要由傳輸狀態(tài)寄存器來辨別；同時其中斷電平是單穩(wěn)態(tài)的，一個事件發(fā)生后中斷信號跳變，但僅維持一個短暫的脈沖便恢復，這是為了配合不同速度的處理器而作的處理。

單片機與計算機的USB通信主要功能子程序示例如下：(請在使用時加入CH371的相應寄存器的地址定義)
file://********** CH371初始化程序******************************
void ch371_init()
{
CH371_INT_SET=0; file://CH371中斷數(shù)據(jù)設定寄存器的地址偏移
CH371_LENGTH=0X0F; file://置上傳數(shù)據(jù)長度寄存器為15,表示暫時沒有數(shù)據(jù)上傳
save_length=0; file://保存下傳數(shù)據(jù)長度
IT0=1; file://外部信號為下降沿觸發(fā)
IE0=0; file://清中斷標志
PX0=1; file://置高優(yōu)先級
EX0=1; file://允許中斷
}
file://***********上傳數(shù)據(jù)子程序********************************
void ch371_upload(unsigned char len) file://參數(shù)傳入數(shù)據(jù)長度
{
unsigned char i;
unsigned char *up_buf;
unsigned char *ch371_buf;
if(len!=0)
{
up_buf=ret_buffer; file://指向數(shù)據(jù)的地址
ch371_buf=CH371_BUFFER; file://指向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
for(i=0;i{
*ch371_buf=*up_buf; file://寫入上傳數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
ch371_buf++; up_buf++;
}
}
CH371_LENGTH=len; file://寫入本次數(shù)據(jù)的長度
}
file://********中斷子程序 使用中斷0 寄存器組2********
void ch371_inter() interrupt 0 using 2{
unsigned char *down_buf;
unsigned char *ch371_buf;
unsigned char i;
IE0=0; file://清中斷標志
if( (CH371_STATUS0x01) ==0 ){
file://讀取狀態(tài)信息寄存器，判斷數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)
save_length=CH371_LENGTH; file://保持下傳數(shù)據(jù)長度
down_buf=save_buffer;
ch371_buf=CH371_BUFFER;
for(i=0;i{
*down_buf=*ch371_buf; file://讀取一字節(jié)的下傳數(shù)據(jù)
down_buf++; ch371_buf++;
}
}
else CH371_LENGTH=0x0f; file://置上傳數(shù)據(jù)長度寄存器為15
}

計算機端軟件：

計算機端軟件主要功能是模擬一個示波器的界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示以及滿足不同需要的分析功能，同時完成對數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設定。在這個設計中已經(jīng)實現(xiàn)了基本的功能，虛擬示波器的界面如下圖。進一步開發(fā)后可以實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的深度分析（譬如波形測量、頻譜分析等），甚至可以結(jié)合硬件的升級實現(xiàn)波形發(fā)生器、邏輯分析儀、掃頻儀、網(wǎng)絡分析儀等功能。

圖四 虛擬儀器計算機軟件面板圖

計算機端有關USB通信的開發(fā)不需要了解USB底層驅(qū)動，并且芯片生產(chǎn)商已經(jīng)以動態(tài)鏈接庫的形式封裝好了面向功能應用的API函數(shù)，開發(fā)者可以在多種高級語言中調(diào)用，功能強大且靈活方便。CH371動態(tài)鏈接庫提供的API函數(shù)主要包括：設備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷查詢API、I2C 操作API和直接控制API。

其中設備管理API對于一般產(chǎn)品開發(fā)不需要用到；數(shù)據(jù)傳輸API是最重要最常用的一組函數(shù)，他提供了多種數(shù)據(jù)傳輸模式；中斷查詢API一般用于USB設備使用到中斷傳輸?shù)膱龊?，我們這里沒有用到；I2C 操作API用于對CH371控制的I2C器件進行讀寫，一般用于存放產(chǎn)品信息，我們這里也沒有用到；直接控制API是用于CH371直接輸入輸出信號，包括設置、輸入和輸出三部分組成，我們使用這一組API實現(xiàn)對LED進行控制。
在實際應用中筆者使用VB6作為計算機端應用軟件的開發(fā)平臺，首先要將沁恒公司提供的驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫拷貝到計算機中，再將動態(tài)鏈接庫的訪問入口及函數(shù)定義入口添加至VB6項目中，就是將提供的VB6實例程序中的module功能模塊添加到自己的工程項目下即可。此時對USB設備的通信編程就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了，具體差別可以通過分析實例程序的句法來解決。下面給出計算機接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的相關程序。

Option Explicit' 變量定義
Dim myReq As DEMO_REQ
Dim mOpen As Integer

Private Sub Form_Load( ) ' 窗口加載事件
Dim mLength As Long
mIndex = 0
mOpen = CH371OpenDevice(mIndex) ' 窗體加載時打開設備
If mOpen = -1 Then
MsgBox "無法打開CH371設備" ' 加載失敗提示
End If

myReq.mCommand = HFF ' 用戶定義命令
myReq.mBuffer(0) = H11 ' 用戶定義數(shù)據(jù)
myReq.mBuffer(1) = H22 ' 用戶定義數(shù)據(jù)
mLength = Len(myReq)
CH371WriteData(mIndex, myReq, mLength) ' 通過CH371發(fā)送命令數(shù)據(jù)
……
CH371ReadData(mIndex, myReq, mLength) ' 通過CH371接收應答數(shù)據(jù)
……
End Sub

四、結(jié)束語

使用CH371設計的USB接口的虛擬示波器目前已完成基本功能的驗證，正在后期完善中，而且可以推出面向多種應用的不同級別的系列產(chǎn)品。實踐表明其技術性能良好，功能強大、體積小巧、使用簡便、價格低廉，是廣大電子愛好者、開發(fā)者的有力助手。