总结下我的毕业设计,算是把自己的大学画个句号吧。 1 概述 毕业设计的题目是“基于STM32的简易示波器设备驱动的研究”,就是利用STM32的AD采集波形数据,然后通过它内置的USB2.0把数据传到PC上面显示出来。框图如下。
题目一共是两个人做,我和我搭档耗子。他做信号处理,采集部分。我做USB在PC下的驱动开发,以及上位机界面的显示。USB固件那部分我们是一起完成的。 这个课题从08年10月开始,到12月圣诞前夕基本完成。最后基本实现了波形的显示,实测最大可以测量的频率是200KHZ, 效果图如下:
30KHZ ,1V正弦波 (原文件名:效果图1.JPG)
100KHZ ,1V正弦波 (原文件名:效果图2.JPG)
方波的图形好像不是很漂亮会有上升沿老是有尖刺,还需要作软件做处理。没截出来, 最后能出数据离不开很多前辈的经验。有些地方是借鉴了他们的东西。现在先列出来。 第一个是21IC上面alien2006原帖地址。他也是做了一个简易示波器,但是用的是以太网传输。采集部分我很多借鉴了他的方案。 第二个是电脑圈圈,他对USB的理解令我钦佩。我能搞出驱动,他提供的源码包非常重要,有些代码也是直接在他的基础上修改的。
2 整体方案 先说下一次完整的采集,比如外面进来的波形是正弦波,波形电压有正负,STM32单片机的AD只能采集0~3.6V的电压,所以要对信号进行处理。也就是需要一个模拟前端电路,把电压抬上去。接着就是采集了,STM32的AD可以用外设进行触发,这里用定时器进行触发。每过一个单位时间AD开启一次,采集一个点,这样采集的频率只要调整这个单位时间也就是定时器就可以控制了。采集了一桢数据,比如200个点。DMA中断被触发,开启USB,把数据发送到上位机,然后显示出来。 整个过程大体就是这样了,还有一个很重要的环节补充下。熟悉示波器的人都知道示波器有个触发概念。像刚才这样显示的话,比如前一帧数据是波峰开始显示,后一帧是波谷开始。这样显示出来的波形就是乱的,于是为了解决这个问题,就需要做触发,也就是保证每次采集的起始电位相同。我们的采用的是用外中断的形式,外面波形数据先不采集,先让它通过一个比较器,比如比较器的基准电压是1V,也就是每次都和1V比较,低于1V输出低电平,高于1V输出高电平。当数据电压大于1V的时候,比较器输出高电平,高电平接到单片机外中断口,这样外中断就被触发。然后开始采集,这样就能保证每帧数据的起始点都相同。 这个方案是大体方案,后来做了下修改。就是让AD一直在采集。外中断触发了后开启的是DMA,AD一直开着,只是控制DMA什么时候去取。从哪里开始取,取多少个点。下位机部分不再详说,贴下主要的程序,大侠们随便看看,多多指教。 定时器设置代码如下: void TIM2_Configuration(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; TIM_DeInit(TIM2); //TIM2初始化 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 18; //设置了下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; //设置了用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置了时钟分割 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //选择了计数器模式向上计数
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx
// TIM_PrescalerConfig(TIM2, 1, TIM_PSCReloadMode_Update); //设置TIMx重载次数 预分频值在更新事件装入 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle; TIM_OCInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 9; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //TIM输出比较极性低 TIM_OCInit(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE); //使能或者失能TIMx在ARR上的自动装载寄存器 TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIMx外设 } AD以及DMA设置代码: void ADC_Configuration(void) { DMA_DeInit(DMA_Channel1); //复位DMA_Channel1 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address; //外围设备地址 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)&ADC_Data[0]; //memory 地址 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //外围设备做为源 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1024; //数据单元尺寸 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外围地址是否自动增长 disable不增长 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //memory 是否自动增长 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //外围设备寄存器尺寸16位 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //memory尺寸16位 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //DMA 循环模式 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA 通道优先级 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //memory- to-memory转换 DMA_Init(DMA_Channel1, &DMA_InitStructure); //初始化DMA通道1
DMA_ITConfig(DMA_Channel1, DMA_IT_TC, ENABLE); //使能DMA传输完成中断 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC 工作模式 ADC1 ADC2 单独工作 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //多通道扫描模式 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //是否启用连续转换模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; //触发方式 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据右对齐 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //ADC规则转换通道数量 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
//配置转换规则 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_10, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1); //复位ADC1 校准 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1); //开始ADC1 校准转换 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待转换完成 ADC_ExternalTrigConvCmd( ADC1, ENABLE); //使能或者失能ADCx的经外部触发启动转换功能 }
DMA中断服务程序: void DMAChannel1_IRQHandler(void) { DMA_Cmd(DMA_Channel1, DISABLE); //关闭DMA通道1 for(count=64;count<1024;count++) //AD数据转换处理 { AD_Data[count]=(ADC_Data[count]*330)/4096; } flag_usb = 1; //usb标志位置1,使能usb发送 DMA_ClearITPendingBit(DMA_IT_TC1); }
下面就开始说我做的部分,USB部分。一共有3个地方, (1)USB固件程序的开发 (2)Windows XP下USB设备驱动的开发 (3)对应的PC上的应用程序开发。 下面来详细论述。
3 USB固件程序的开发 这部分主要设计USB的协议。一共花了两个星期时间,是我们做的最开心的两个星期。因为是两个人一起来研究,导师崔也经常跑过来讨论。最后测出来的传输速度是700-800K,依据USB2.0全速理论最大速度12Mbps,除以八大概是1M多,基本把速度都开发出来了。期间参考了ouravr里面的一个叫极速狂飙的帖子,也成功开启了双缓冲。 固件程序主要是根据万利板子提供的4个USB程序中的那个USB转串程序修改的,主要是修改两个文件。第一个是usb_desc.c,这个文件里面配置了全部的描述符。这些描述符在USB2.0协议里面都有严格的定义,跟着配置就好了。 const u8 Virtual_Com_Port_DeviceDescriptor[] = { 0x12, USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE, 0x00, 0x02, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x40, 0x44, 0x44, 0x33, 0x33, 0x00, 0x02, 1, 2, 3, 0x01 };
const u8 Virtual_Com_Port_ConfigDescriptor[] = { 0x09, USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE, VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_CONFIG_DESC, 0x00, 0x01, 0x01, 0x00, 0xC0, 0x00, 0x09, USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_TYPE, 0x00, 0x00, 0x02, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x07, USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_TYPE, 0x03, 0x02, 0x02, 0x00, 0x00, 0x07, USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_TYPE, 0x81, 0x02, 0x40, 0x00, 0x00 };
const u8 Virtual_Com_Port_StringLangID[VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_LANGID] = { VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_LANGID, USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE, 0x09, 0x04 };
const u8 Virtual_Com_Port_StringVendor[VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_VENDOR] = { VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_VENDOR, USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE, 'S', 0, 'T', 0, 'M', 0, 'i', 0, 'c', 0, 'r', 0, 'o', 0, 'e', 0, 'l', 0, 'e', 0, 'c', 0, 't', 0, 'r', 0, 'o', 0, 'n', 0, 'i', 0, 'c', 0, 's', 0 };
const u8 Virtual_Com_Port_StringProduct[VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_PRODUCT] = { VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_PRODUCT, USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE, 'N', 0, 'u', 0, 'm', 0, ' ', 0, 's', 0, 'e', 0, 'n', 0, 'd', 0, ' ', 0, 't', 0, 'e', 0, 's', 0, 't', 0, ' ', 0 };
const u8 Virtual_Com_Port_StringSerial[VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_SERIAL] = { VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_STRING_SERIAL, USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE, 'D', 0, 'e', 0, 'm', 0, 'o', 0, ' ', 0, '1', 0, '.', 0, '0', 0, '0', 0, '0', 0 } 有些字符没有修改还是原来DEMO的,大家将就着看看。 还有就是Usb_prop.c 里面这个函数 void Virtual_Com_Port_Reset(void) //USBIP复位过程,当宏单元收到RESET信号时调用, { //用户程序在此过程中设置端点 pInformation->Current_Configuration = 0;
pInformation->Current_Interface = 0; SetBTABLE(BTABLE_ADDRESS);
SetEPType(ENDP0, EP_CONTROL); SetEPTxStatus(ENDP0, EP_TX_STALL); SetEPRxAddr(ENDP0, ENDP0_RXADDR); SetEPTxAddr(ENDP0, ENDP0_TXADDR); Clear_Status_Out(ENDP0); SetEPRxCount(ENDP0, Device_Property.MaxPacketSize); SetEPRxValid(ENDP0);
SetEPType(ENDP1, EP_BULK); //设置端点1传输模式批量传输 SetEPTxAddr(ENDP1, ENDP1_TXADDR); //缓冲区基地址(IN 发) SetEPTxCount(ENDP1, 64); //配置Tx缓冲计数器 SetEPTxStatus(ENDP1, EP_TX_VALID); //设置端点发送有效 SetEPRxStatus(ENDP1, EP_RX_DIS); //设置端点接收关闭 SetEPType(ENDP3, EP_BULK); //设置端点3传输模式批量传输 SetEPRxAddr(ENDP3, ENDP3_RXADDR); //缓冲区基地址(OUT 收) SetEPRxCount(ENDP3, 2); //配置Rx缓冲计数器 SetEPRxStatus(ENDP3, EP_RX_VALID); //设置端点接收有效 SetEPTxStatus(ENDP3, EP_TX_DIS); //端点关闭发送
SetDeviceAddress(0); }要配置下。就是你开启的那些端点了。
4 Windows XP下USB设备驱动的开发 这部分是最麻烦的,至少对我来说是这样的,好像已经到了计算机专业范畴,而我对这些非常不熟悉。学习期间第一个方案用的是LABVIEW,它附带一个工具叫VISA,可以直接配置成USB驱动,然后再在LABVIEW里面直接调用,很方便。在研究LABVIEW的时候发现里面有很多DEMO,而且对中文的支持非常好,很多文档都是官方直接出中文文档。(好像半导体大额们对中国这块市场都越来越重视了,前几天看到AVR大部分的文档也都是直接官方翻译的中文文档。)学习了软件里面附带的入门教程,大概也能编一些简单的程序了,调试USB的时候发现里面有几个USB的demo,配合VISA生成的驱动居然直接接收到了下面传上来的数据,这对我们来说无异于是一次莫大的鼓励。后来导师推荐我试试另一种方法,就是用Driverstudio+VC来开发驱动和编写界面。为了学习一下USB的驱动开发,于是在第三个星期的时候开始windows下驱动的开发。老实说吃了很多苦头,到现在虽然功能基本实现了,但是对于这一块我还是只知道皮毛。DS里面的那些类和函数也没怎么搞透,驱动能开发出来主要还是借鉴了DS附带的example 里面的USB BULK 程序。 下面大概讲下我遇到过的问题给后来人一点借鉴:
(1)是安装顺序的问题,因为DriverStudio要嵌入到VC中,以后的代码要用DDK来编写所以三个软件要很好的兼容才可以。 第一步:安装Microsoft Visual C++6.0; 第二步:安装Microsoft Windows XP DDK; 第三步:安装DriverStudio 3.2驱动程序开发工具包。 VC6.0最好安装英文版的,可以减少不知名的错误。安装完成后DS3.2会嵌入到VC中,在上面多一个标题: DriverStudio选项卡下面第三项DDK Build setting要设置成C:\WINDDK\2600(如果DDK安装在C盘),然后要编译DriverStudio安装目录下DriverStudio\DriverWorks\source\VdwLibs.dsw,以得到vdw_wdm.lib这个库文件。编译的时候会出现错误,因为用VC打开vdwlibs.dsw工程文件后,有两个工程,要先将VdwLibs工程设为当前Active Project,然后在工具栏上单击右键选择“组建”,在弹出的编译工具栏中配置一下编译平台的设置:选择Win32 WDM Checked平台(因为我们用的XP),然后编译就应该可以了。
(2)是利用向导生成驱动程序框架 DS有个DriverWizard可以生成驱动程序的大体框架。 第一步:选择开发环境VC6.0,命名。 第二步:选择WDM Driver不用修改。 第三步:选择WDM Function Driver 第四步:选择USB并设置好PID 和 VID 要与固件里面的设置相同 第五步:设置端点,以及缓冲区。也要和固件里面相对应。 接下午几步可以根据自己来设置,也可以默认。完成后会生成一个工程目录,里面包含了两个工程,一个是驱动,是我们需要的。另一个是测试程序,好像没有用。当你编译驱动的时候,会提示有错误,这是因为DS里面的一个BUG,选择project-setting,左边两个工程选驱动那个,点右边LINK选项卡,删除Object/library module 项的ntstrsafe.lib。再编译就能通过了。 (3)接下去就是对刚才生成的框架进行研究,添加一些代码以使驱动完整。 首先来了解下生成的框架。 DriverEntry()该例程是当系统检测到与驱动程序支持的设备时被调用的。 AddDevice() 该例程为系统添加一个设备。 Unload() 该例程为系统卸载设备。 以上几个例程都存在于XXXXDriver.cpp是设备的基本操作可以直接使用生成的代码,不用修改。 在另一个文件XXXXDevice.cpp中包含了具体应用函数,比如read和write,但是这个文件也存在这一个BUG,在开头部分有m_Pipe1_in.Initialize(m_Lower, 0x81, 64); 和m_Pipe2_out.Initialize(m_Lower, 3, 64);本次定义了两个端点,一个是叫m_Pipe1_in,0x81表示这个管道的属性是入(in),缓冲区是64.下面一个是m_Pipe2_out表示是出(out),缓冲区是64.向导生成的代码里面漏掉了“0x”这两个字符。 关键部分代码的添加 上位机应用程序,主要是通过两种方式来控制驱动,一个是DeviceIoControl()函数,另一个是ReadFile()函数和WriteFile()函数。本次使用的是后者。只要在Read(KIrp I),和Write(KIrp I)里面添加相应的代码就可以。这方面可以参考DS3.2附带的example里面的那个usbbulk例程。 首先简述一下完成一次驱动调用所要做的具体工作。应用程序想对USB设备进行I/O操作,它需调用Windows API函数比如readfile(),I/O管理器将此请求构造成一个合适的I/O请求包(IRP)并把它传递给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到这个IRP后,根据IPR中包含的具体操作代码构造相应USB请求块(URB),并把它放到一个新的IRP中,然后传递给USB底层驱动程序(中间层或总线驱动程序)。USB底层驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作,并把操作的结果返回给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到此返回的IRP后,将操作结果通过IRP返还给I/O管理器,最后I/O管理器将此IRP操作结果传回给应用程序,至此应用程序对设备的一次I/O操作完成。当上位机调用的ReadFile()的时候,USB设备驱动程序要根据IPR中包含的具体操作代码构造相应USB请求块(URB),这个URB的生成就在这里实现,比如例程里面的 PURB pUrb = m_Pipe1_in.BuildBulkTransfer( Mem, // Where is data coming from? dwTotalSize, // How much data to read? TRUE, // direction (TRUE = IN) NULL // Link to next URB ); 主要是通过这个函数来实现。函数实现了之后会有不同的返回值,然后打印出不同的信息。这些信息可以在DS调试工具Monitor中看到。
5 驱动开发的过程大概就是这样了。下面是应用程序的开发。主要两步,先打开设备,然后读写数据。 (1)打开设备 Windows下面有很多针对驱动调用的API函数,要调用一个USB设备首先就要打开这个设备,其对应的API函数为CreateFile,在本次驱动中DS自动生成了一个OpenByInterface.c文件,在该文件里面对这个CreateFile函数进行了封装,其参数如下 HANDLE OpenByInterface( GUID* pClassGuid, // points to the GUID that identifies the interface class DWORD instance, // specifies which instance of the enumerated devices to open PDWORD pError // address of variable to receive error status ) 所以在主程序中只要调用OpenByInterface函数就可以了。本次中具体实现的代码如下: if(g_hUsbDevice==INVALID_HANDLE_VALUE) { g_hUsbDevice=OpenByInterface( &g_UsbGuid, // points to the GUID that identifies the interface class 0, // specifies which instance of the enumerated devices to open &Error // address of variable to receive error status ); if(g_hUsbDevice==INVALID_HANDLE_VALUE) { MessageBox("打开设备失败!",NULL,MB_OK | MB_ICONHAND); } else { MessageBox("打开设备成功!",NULL,MB_OK | MB_ICONASTERISK); } } 其中GUID* pClassGuid是对应的设备的GUID,具体定义如下: GUID g_UsbGuid=GUID_DEVINTERFACE_USB;//打开设备的GUID 其中GUID_DEVINTERFACE_USB是在DS生成的Intrface.h文件中定义的, #define GUID_DEVINTERFACE_USB \ { 0x6C8CFFA6, 0xCAB8, 0x45B1, { 0xAA, 0xEE, 0x1E, 0xF4, 0xDF, 0x79, 0xF8, 0xDF } } 这个ID保证了每个USB驱动的唯一性,调用紊乱的情况的出现。OpenByInterface这个函数有一个返回值,通过的改变可以确认设备是否打开成功,然后通过MessageBox函数跳出不同的反馈信息。 (2)读写数据 Windows中读取数据的API函数有两种,一种是DeviceIoControl,一种是ReadFile、WriteFile函数。前者一个函数可以读也可以写,后者把读写分开来,这次使用的是后者。 ReadFile的具体实现如下: ReadFile( g_hUsbDevice, //我们的设备HANDLE hFile DataBuffer,//输入缓冲,无lpBuffer 64, //输出字节数nNumberOfBytesToRead, &BytesReturned, //实际读取到的字节数lpNumberOfBytesRead, NULL ) g_hUsbDevice是对应我们的设备,DataBuffer是我们定义的数组,读取到的数据就存在这个数组中,64是一次读取的字节数,BytesReturned是实际读取到的字节数,最后一个可以默认为NULL。如果成功读取到了数据,数组DataBuffer中的数据就会更新,然后可以做任意处理。 写数据基本和读取数据类似。
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