LABVIEW与STM32 通过USB直连的通信方式

1万 · 2019-11-9 13:16

虚拟仪器设计步骤如下:
首先要确定虚拟仪器类型，主要考虑被测对象的要求和使用领域，系统开发成本和系统
扩展性和资源丰富性。其次要选择合适的虚拟仪器开发平台，目前LabVIEW是越来越多用
户的首要选择，但是仍然存在其他可选对象。最后要确定仪器的接口形式，如果考虑系统数
据传输速度，可以选用PCI总线或者IEEE 13 94高速总线。如果考虑开发难度，可采用较为
成熟的RS-232。如果综合考虑速率和便于插拔使用，可选用USB总线接口。设计过程中要
编写开发文档，完善系统技术报告、使用手册等，进一步了解系统性能，使用户了解仪器使
用方法。

1万 · 2019-11-9 13:17

虚拟仪器系统上位机一般使用PC机，而当今PC机均集成USB总线。USB设备的使用
需要驱动程序的尺寸，因此高效的驱动程序是USB设备开发的关键。传统开发USB驱动程
序的步骤是首先用驱动程序开发包(WINDOWS DDK)开发，再调用动态链接库(DLL)来
开发应用程序[fill。开发动态链接库技术难度大，时间长。所以我们可以采用虚拟仪器开发软
件LabVIEW中集成的高级应用编程接口VISA (Virtual Instrument Soft Architecture)来实现
LabVIEW与USB之间的通信。完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开
发周期。

1万 · 2019-11-9 13:18

1万 · 2019-11-9 13:18

按照系统实现步骤来看，主要由以下三部分构成:
}y UsB数据测控卡(包括硬件设计和固件程序设计);
}2} UsB驱动程序;
(3)客户应用服务程序，完成控制界面设计，波形显示，数据显示，采样控制等功能。
本系统中，PC作为USB主机，USB测控卡作为USB设备，通过USB接口与主机相连
接。设备与主机连接后，主机开始识别设备并初始化。初始化完成后，主机向测控卡发送采
集或者控制命令。测控卡正确接收命令，将ADC转换结果传至PC，或者接收到控制命令，
完成8路LED测控功能。系统流程图如图2.2所示。

1万 · 2019-11-9 13:19

1万 · 2019-11-9 13:19

选择适当核心模块是开发USB系统的关键。目前市场上主要由两类USB控制器:一种是
不带主控制器的USB接口芯片，需要外接主控CPU，如PDIUSBD 12(支持USB1.1协议)
和CH371, CH372, CH375系列;另外一种是不需要外接CPU的USB控制器(如EZ-USBFX2
系列芯片，STM32系列芯片)。下面介绍几种常用USB控制器产品。

1万 · 2019-11-9 13:19

(1) Philips公司的PDIUSBD 12
PDIUSBD 12是飞利浦半导体公司推出的一种价格低、功能强的通用串行总线接口器件，
它符合USB1.1规范，集成FIFO存储器、发送器和电压调整器，而且支持本地DMA传输。
PDIUSBD 12还集成了SoftConnect、可编程时钟输出等特性。用GoodLink技术的连接指示器，
在通讯时使LED闪烁，方便通信调试。集成了串行输入引擎SIE)模块，完成了所有USB
协议层功能，芯片最高并行接口速率可以达到2MB/s}13}。虽然此芯片是比较常用的USB芯片，
但它遵循USB1.1规范，数据传输速率低于遵循USB2.0的芯片。

1万 · 2019-11-9 13:20

(2)南京沁恒公司的CH371, CH372, CH375芯片系列
此类芯片是一款支持USB2.0协议的USB接口芯片，它只有一个USB控制器和一个通用
数据总线接口，内部没有集成CPU。用户可以使用这款新品将USB控制器连接到任何MCU
上。CH37X系列最新产品为全速设备接口，兼容USB2.0，外围元器件简单，只需要晶体和电
容。具有g位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出功能[[ 14]。内置固件模式下屏蔽了
相关的USB协议，自动完成标准的USB枚举配置过程。外置固件模式下，单片机可以根据
自己需要处理各种类型USB传输控制请求。此芯片需要与主控芯片I/O口相连接，使得所研
发的系统集成度不够高。

1万 · 2019-11-9 13:23

(3) Cypress公司的EZ-USB FX2系列
Cypress公司生产的EZ-USB FX2系列包括一个增强8051微控制器，指令集与8051兼容。
它还可以被设计成为一个DMA工作方式的USB2.0控制器与其他微处理器或者DSP连接使
用。Cypress的USB控制器具有特殊的重枚举功能[[15]，使用该公司产品开发的USB设备可以
再没有固件程序的情况下被主机识别，当主机估计完成下载后，可以更改设备固件程序进行
重枚举来使用[fi6l。这样实现估计代码自动下载，估计代码可以存放在主机中，方便估计代码
的升级和修改。此控制器可以作为主控制器，但8051微控制器比ARM系列控制器的性能低。

1万 · 2019-11-9 13:24

为了解决传统测控仪器系统中数据传输速率低、系统不能够实现“即插即用”等问题，
并为实现测控系统的“总线化、智能化、网络化”奠定基础，作者结合国内外测控接口技术
发展，利用USB技术及ARM技术，研制了一个通用多功能、多通道测控系统。

1万 · 2019-11-9 13:24

STM32处理器的内核是ARM公司为要求高性能，低功耗，低成本的嵌入式应用专门设
计的Cortex-M3内核，它具有以下特点:
(1)采用了哈佛结构，拥有独立的数据总线和指令总线，可以同时进行取地址和数据的
访问。
(2)支持传统的JTAG调试。
(3) Cortex-M3处理器采用ARMv7-M架构，它包括16位Thumb指令集和基本的32位
Thumb-2指令集。
(4)处理器内部集成硬件乘法器和除法器，在运算效率上大大提高。
S TM32F 103处理器内部集成有USB模块，主要有以下特征:
(1>符合USB2.0全速设备规范
(2)支持同步，批量，中断传输。
(3)支持USB挂起、回复操作
(4)支持CRC(循环冗余校验)生成，反向不归零编码、解码。
(5)支持双缓冲区机制。

1万 · 2019-11-9 13:25

和其他测控系统一样，对于基于USB的数据测控系统，也同样关心系统的性能指标，主
要包括:
(1)接口方式:USB数据测控系统采用USB总线接口，同时兼容1.1和2. O o
(2)输入通道:同时支持的通道数。
(3)信号测量:科研和生产中的采样信号多种多样，有温度，压力，光强度，烟雾浓度等。
(4)采样速率:是测控系统的重要参数，表明测控系统的采集性能。
(5)采样分辨率、采样精度。
本系统实现了一个基于USB2.0和LabVIEW的8通道采集系统，能够同时采集电压、温
度、压力、光强度、气体浓度等模拟信号，也可以采样两路开关量数字信号，同时能实现8
路LED控制。采样分辨率为12位。

1万 · 2019-11-9 13:25

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图中VCEN为使能端，接至STM32单片机上的PF1口，当PF1输出为高电平，Q1三极
管饱和导通，这时候VCE约为0.3V。当外界光线强度发生变化时，光敏电阻R4的阻值发生
变化，RS在串联电路中起到分压作用，可适当调整，使A点电压在VCE和VCC之间变化，
A 1 IN接到主控芯片上的PAO口，A点光强信号所转换的特定模拟电压信号送入主控芯片PAO
口，再由STM32启动内部ADC转变为数字信号。R3与C14起到滤除杂波作用。当PF1使
能信号为低电平时，Q1三极管工作于截止状态，此时R4与RS中无电流流过，光敏电阻失
去作用。

1万 · 2019-11-9 13:47

从本质上讲，气体传感器是一种将某种将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号
的转换器。本设计采用ZYMQ-2气体传感器组成了气体传感器模块电路。MQ-2由微型AL203
陶瓷管、Sn0:敏感层，测量电极和加热器构成的[[33]，敏感元件固定在不锈钢外壳中，加热器
为器敏元件提供了必要工作条件。封装好的器敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取
出，2个用于提供加热电流。可用于家庭或者工厂中气体泄漏检测装置，适宜于酒精、烟雾、
液化气、丁烷、丙烷、甲烷等的监测。具有以下特点:
(1)广泛的探测范围，
(2)高灵敏度和快速响应恢复，
(3)优异的稳定性。

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