基于LabVIEW的USB設(shè)備無線測試系統(tǒng)設(shè)計

楊向萍，陸紀勛，馬利騰

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201600)

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基于LabVIEW的USB設(shè)備無線測試系統(tǒng)設(shè)計

楊向萍，陸紀勛，馬利騰

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201600)

針對傳統(tǒng)有線USB設(shè)備測試系統(tǒng)存在布線、單目標、通用性差等缺陷，設(shè)計一套基于LabVIEW的USB設(shè)備無線測試系統(tǒng)；系統(tǒng)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，進行虛擬儀器前面板設(shè)計與后臺程序的編寫；利用無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及其余硬件設(shè)備，搭建上位機與設(shè)備間無線數(shù)據(jù)通訊的橋梁；以宏晶STC12C5A60S2單片機為核心控制器，通過引入USB總線接口芯片CH375擴展了USB-HOST功能，從而實現(xiàn)上位機和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)的無線采集與傳輸；本系統(tǒng)主要應(yīng)用于對USB設(shè)備的開發(fā)調(diào)試和測試過程。

單片機；無線測試；上位機；USB設(shè)備

0 引言

隨著計算機通信技術(shù)的高速發(fā)展，通用串行總線USB以其高速、支持多種傳輸類型、即插即用、易擴充等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域[1]。在日常辦公和生活中，USB接口設(shè)備占據(jù)的市場份額越來越大，批量化生產(chǎn)成為需要。傳統(tǒng)的設(shè)備出廠測試過程是PC通過數(shù)據(jù)線和設(shè)備相連運行測獲，這不僅導(dǎo)致測試設(shè)備投入高，而且測試裝置的靈活性也很低。

本文設(shè)計的USB設(shè)備無線測試系統(tǒng)，以STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的控制器芯片，通過LabVIEW調(diào)用ASSCEE預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊發(fā)送給多個測試模塊。擺脫批量測試設(shè)備對多臺電腦的依賴，實現(xiàn)快速、高效和簡便的測試。本設(shè)計是針對深圳某USB接口設(shè)備出廠測試部門要求設(shè)計的測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)市場的應(yīng)用需求，USB設(shè)備的快速測試系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能為：除滿足常規(guī)測試任務(wù)外(測試設(shè)備機械運動)，還要有性能可靠、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和故障警報等功能，才能對設(shè)備的異常情況進行快速準確的判斷，并給出相應(yīng)的處理建議。由于測試工作是針對大批量的設(shè)備，故設(shè)備測試裝置需滿足便于攜帶，且測試速度快的要求。在功能設(shè)計上，即要考慮不同系列設(shè)備的通用性，又考慮讀回數(shù)據(jù)的處理結(jié)果的可讀性，還要考慮人機互交界面性能[2]。

系統(tǒng)設(shè)計是基于STC12C5A60S2單片機主控制模塊、串口傳輸模塊、LabVIEW上位機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在USB作為主機模式下，單片機通過枚舉過程識別USB設(shè)備類型，同時返回給上位機所測試的USB設(shè)備信息，單片機對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼和解碼分析處理，并通過無線模塊傳送到無線路由器，LabVIEW對接收的數(shù)據(jù)進行分析，與數(shù)據(jù)庫設(shè)定的值進行比較，當檢測信號與設(shè)定的相關(guān)信息匹配時，會及時將信息反饋回LabVIEW界面和下位機的顯示屏，實現(xiàn)實時監(jiān)測測試信息。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控芯片、USB接口芯片的選擇

本設(shè)計的硬件系統(tǒng)由以STC12C5A系列單片機為核心的主控模塊、USB接口模塊、LCD顯示屏、5V電源模塊和無線通訊模塊組成。系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2芯片作為主控芯片，該款芯片是增強型8051CPU，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度要快8～12倍。5V工作電壓，支持串口程序燒寫，24MHz外部晶振，這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。

CYPRESS公司的SL811HS、Philips公司的ISP1161A以及南京沁恒公司的CH37X系列芯片是行業(yè)內(nèi)具有代表性的USB接口芯片。雖然前兩種芯片都能夠?qū)崿F(xiàn)USB-HOST功能，但是沁恒的CH37X將USB協(xié)議、MASS-STORAGE協(xié)議、SCSI協(xié)議都集成到了片內(nèi)，而且CH37X系列的接口芯片是一款支持USB2.0協(xié)議的USB接口芯片，相對于Philips公司的PDIUSBD 12不僅能兼容USB1.1的傳輸規(guī)范，更能提升對外圍USB設(shè)備的識別范圍。它只有一個USB控制器和一個通用數(shù)據(jù)總線接口，內(nèi)部沒有集成CPU。用戶可以利用這個優(yōu)勢將USB控制器連接到任何MCU上。CH375為該系列的最新產(chǎn)品，全速設(shè)備接口，兼容USB2.0，外圍元器件簡單，只需要晶體和電容[3]。具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出功能[4]。USB相關(guān)協(xié)議在內(nèi)置固件模式下被屏蔽，并自動配置USB枚舉過程。外置固件模式下，單片機可以根據(jù)自己需要處理各種類型USB傳輸控制請求。此芯片需要與主控芯片I/O口相連接，來提高研發(fā)系統(tǒng)的靈活性。

2.2 系統(tǒng)的硬件連接

系統(tǒng)各模塊間的電路框圖如圖2所示，主要由單片機、無線模塊、LCD1602液晶顯示電路和5V直流電源電路等組成。串口電路連接單片機的P3.0和P3.1引腳。CH375分別與單片機的P0和P3.5～P3.7引腳連接。LCD1602液晶顯示電路分別與單片機的P2和P4.4～P4.6引腳連接。蜂鳴器與P1.3引腳相連。按鍵模塊連接單片機的P1.0～P1.4引腳。

圖2 系統(tǒng)電路連接圖

3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

3.1 CH375接口模塊的應(yīng)用電路

CH375是南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的一種USB總線的通用芯片，有USB-DEVICE/SLAVE和USB-HOST方式。該該款芯片具有8位雙向數(shù)據(jù)總線，可方便地連接到單片機、MPU和DSP等外部微處理器系統(tǒng)的總線上，具有完整的讀、寫、片選信號以及中斷輸出等控制功能。CH375芯片是被動的接口芯片，在本地端提供了通用的被動并行接口和點對點的串行接口。CH375與單片機的連接方式有并口和串口兩種方式。并口方式的數(shù)據(jù)傳輸速度相對串口方式要快很多，結(jié)合單片機STC12C5A60S2引腳資源以及高速數(shù)據(jù)傳輸，故此采用并口連接方式。在實際的測試過程中，雖然超高速數(shù)據(jù)傳輸易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，但本系統(tǒng)的傳輸速度仍符合設(shè)計的要求。其模塊并行接口連線圖見圖3。

圖3 接口芯片并行接線圖

CH375芯片的Vcc引腳連接5 V直流電源，并且V3引腳外接容量為0.01 μF獨石電容的外部電源退耦電容[5]，以配合芯片在+5 V工作的必要條件；USB_D+、USB_D-為USB的數(shù)據(jù)線接口，連接外部USB母口；X0、X1外接12 MHz的臥式晶振為芯片提供工作時鐘；RST、RST#分別是芯片接受正、負電平的復(fù)位引腳；TXD決定芯片的工作方式，低電平使能并口方式，高電平使能串口方式，圖中TXD接地使得芯片在并口方式工作；D0-D7為芯片的8位數(shù)據(jù)總線直接連接單片機I/O；RD#、WD#、INT#分別連接單片機的RD，WR，INTO；CS#為芯片的片選接口；A0引腳用于芯片區(qū)分命令口和數(shù)據(jù)口的接口[6]。

3.2 無線通訊模塊

無線通訊模塊是搭建測試板和上位機間信息通訊的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，從而控制整個系統(tǒng)的正常運行。結(jié)合無線模塊的使用環(huán)境，應(yīng)滿足功能、穩(wěn)定性、低成本等要求。本項目選用無線ATK-RM04 WIFI模塊進行設(shè)計，該模塊具有較好的抗干擾性能，應(yīng)用廣泛，開發(fā)便捷等特點。需要配合無線路由進行使用，并開啟WIFI DHCP功能，然后模塊會通過WIFI連接到路由器，從而實現(xiàn)電腦和模塊的通信。無線模塊和智能終端間的通訊流程如圖4所示。該WiFi模塊有兩種模式，一種是STA模式，一種是AP模式，無線WiFi模塊處于STA模式，與單片機的串口P3.0和P3.1引腳相連。上位機通過網(wǎng)絡(luò)連接指定的無線模塊，基于TCP協(xié)議的無線模塊的IP地址是區(qū)分下位機的依據(jù)。

圖4 通訊流程圖

4 單片機軟件設(shè)計

基于選定的無線WIFI模塊和USB接口模塊的通訊協(xié)議，用C語言編寫程序代碼， 充分利用該語言移植性好、可讀性強、代碼效率高等特點，由串口模塊將程序下載至單片機中，進行編譯和調(diào)試。

4.1 主控模塊程序流程圖

主控模塊作為軟硬件系統(tǒng)的主控制中樞，需要完成無線模塊、顯示器和USB設(shè)備間的通信等智能控制，其程序流程圖如圖5所示。主程序首先設(shè)定變量，初始化串口模塊、無線模塊及顯示屏模塊。通過CH375模塊配置USB設(shè)備，并讀取USB設(shè)備數(shù)據(jù)返回到上位機，與上位機數(shù)據(jù)庫配對處理后將數(shù)據(jù)返回到LabVIEW終端并傳給顯示屏。當顯示器提示一切準備就緒后，LabVIEW調(diào)取設(shè)備數(shù)據(jù)庫中的測試指令，經(jīng)無線/串口模塊到單片機，數(shù)據(jù)經(jīng)CH375緩存區(qū)發(fā)送給設(shè)備，設(shè)備執(zhí)行測試工作。執(zhí)行過程中，會實時將設(shè)備的狀態(tài)信息返回到CH375緩存區(qū)，由單片機讀取緩存后經(jīng)無線模塊/串口模塊發(fā)回上位機，LabVIEW收到設(shè)備的狀態(tài)信息后進行解析處理后與數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)比對，最后將處理后的狀態(tài)信息返回顯示器和電腦終端。通過讀取顯示屏或者LabVIEW界面的狀態(tài)代碼判定設(shè)備測試結(jié)果，以便操作者進行下一步處理。

圖5 主程序流程圖

4.2 CH375模塊程序流程圖

該模塊是連接單片機和USB設(shè)備的橋梁，程序流程圖如圖6所示。CH375初始化主要使用庫函數(shù)CH375.LIB完成[6]。程序在CH375初始化完成后，等待設(shè)備的接入。當有設(shè)備接入后，CH375內(nèi)置的固件程序?qū)⑼瓿蓪SB設(shè)備的配置過程。在設(shè)備枚舉初始化過程將得到完整準確的設(shè)備信息，包括設(shè)備的描述符、配置描述符、端口號，PID和VID等信息[7]。該信息會上傳至上位機用于匹配設(shè)備型號，確定設(shè)備測試的數(shù)據(jù)庫，以便進行下一步的操作。

圖6 接口模塊程序流程圖

5 LabVIEW人機互交界面

LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺，在許多的工業(yè)控制和測試系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，多用于數(shù)據(jù)采集、處理應(yīng)用程序等方面。操作簡單、界面友好、開發(fā)周期短和易于維護等特點給測試和開發(fā)帶來極大的便利。

5.1 LabVIEW軟件設(shè)計

基于LabVIEW軟件設(shè)計主要包括:數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)比對，數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)庫調(diào)用等。

5.1.1 數(shù)據(jù)通信方式

在硬件上，上位機和下位機的數(shù)據(jù)交換有兩種方式。1)下位機模塊通過無線WIFI模塊與上位機進行通信。上位機程序的無線通信功能主要通過LabVIEW中自帶的TCP函數(shù)和VI來實現(xiàn)[8]。依照用戶設(shè)定的設(shè)備測試項目，通過按鍵快速選擇測試類型，下位機發(fā)送測試類型代碼發(fā)送至上位機位機，上位機根據(jù)提前設(shè)置的指令迅速調(diào)取數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)機型的測試代碼，經(jīng)過LabVIEW格式處理發(fā)送給下位機，最后發(fā)送給設(shè)備。在設(shè)備測試過程中的任何故障信息，將實時返回到上位機，經(jīng)數(shù)據(jù)庫比對處理后，將故障狀態(tài)發(fā)送至下位機的LCD顯示屏上，同時有警報提醒測試者，完成一次完整的測試工作。無線的通訊方式，克服了測試位置的局限性，擴大了測試數(shù)量和測試的范圍。在實地測試過程中，工人通過持有多個測試模塊同時工作，大大提升了測試效率。2)下位機模塊通過串口線與上位機進行通信，主要用于測試模塊的性能。根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境可以選擇任何一種方式。

5.1.2 數(shù)據(jù)庫建立和數(shù)據(jù)處理

設(shè)備測試部門提供不同品牌不同系列產(chǎn)品的測試項目，經(jīng)代碼采集后轉(zhuǎn)碼錄入到ASSCEE數(shù)據(jù)庫中，分別建立錯誤代碼庫、測試項目庫和處理故障庫。系統(tǒng)運行過程中的不同階段，LabVIEW會通過調(diào)取不同庫進行高速比對和處理，然后計算機監(jiān)測終端將根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)進行判斷是否需要發(fā)出報警或者進行下一步處理。數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)報警都采用多方式，LABVIEW系統(tǒng)界面會顯示設(shè)備的運行狀況，同時也會將設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)送至下位機的液晶顯示模塊，系統(tǒng)報警有指示燈和聲音兩種方式。使用者通過電腦端或手持的測試模塊便可進行迅速的判斷。

6 系統(tǒng)測試與分析

在深圳某USB設(shè)備出廠測試過程中，測試裝置進行網(wǎng)絡(luò)端口和相關(guān)設(shè)置后，便可實現(xiàn)一臺PC同時對多臺設(shè)備進行測試工作，相比于原來的測試工作方式速度提高了至少5倍，而且大大降低了設(shè)備的投入。測試過程中，當出現(xiàn)設(shè)備故障時，PC的Labview終端會有相應(yīng)的提示，測試模塊的LCD屏幕同時顯示錯誤代碼類型，蜂鳴器會報警提醒工人。測試的準確率可達100%。無線測試模塊的測試范圍完全適合測試工作區(qū)域。在電腦終端，管理者可以根據(jù)模塊使用者的測試錯誤類型分析常見的測試問題，為設(shè)備的生產(chǎn)提出建議和意見。在測試距離路由器較遠的地方，會因信號不好而出現(xiàn)測試任務(wù)無法正常進行，因此在遠距離測試方面還有待提高。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)將成本低廉、技術(shù)成熟的單片機系統(tǒng)與無線通訊技術(shù)、LabVIEW界面和USB總線技術(shù)緊密的結(jié)合起來，為高速數(shù)據(jù)傳輸和處理提供了人性化的用戶界面和通用的接口功能?？朔嗽袦y試空間和時間的局限，實現(xiàn)無線、多目標、多任務(wù)和高效率的測試工作。可更改數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對其他USB設(shè)備的測試工作。

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Design of Wireless Testing System for USB Device Based on LabVIEW

Yang Xiangping,Lu Jixun,Ma Liteng

(College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201600,China)

Animing at disadvantages of the traditional USB equipment testing system, such as: single objective and poor universality, design a USB equipment wireless test system based upon LabVIEW.System with LabVIEW as software development platform for the virtual instrument front panel design and the preparation of the background program;Using wireless data transceiver module and other hardware equipment, build up the bridge between the host computer and the equipment of the wireless data communication;In STC12C5A MCU as the core controller, through the introduction of USB bus interface chip CH375 extend the USB-HOST function, enabling wireless acquisition and transmission between the host computer and the USB device data.This system is mainly used in the development process of debugging and testing USB devices.

microcontrollers; wireless test; upper; USB devices

2016-03-07；

2016-05-05。

通訊作者：楊向萍(1965-) 女，上海人，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0035-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.010

TP29

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