基于C#的USB3.0接口程序設(shè)計(jì)

樊高有++王勇++楊振國(guó)

摘 要：USB3.0接口速度快、簡(jiǎn)單、占用資源少，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)一種基于USB3.0接口的上位機(jī)軟件，在C#.NET平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)USB3.0設(shè)備的讀寫、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該程序可以提高程序開發(fā)效率，各方面功能都能得到很好的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：C#；USB3.0；上位機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸

DOIDOI：10.11907/rjdk.162031

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011011103

0 引言

USB（Universal Serial Bus）是一種新型的計(jì)算機(jī)總線接口技術(shù)。目前，在電子消費(fèi)產(chǎn)品以及智能測(cè)控等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在設(shè)計(jì)工作中也被越來(lái)越多采用。新的USB3.0總線技術(shù)提供了5.0Gb/s的傳輸速率，并向下兼容低速1.5Mb/s、全速12Mb/s和高速480Mb/s傳輸速率。Cypress公司提供的Cypress Suite USB開發(fā)包包含.NET平臺(tái)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)CyUSB.dll[1]。本文探討如何在Windows平臺(tái)的.NET開發(fā)環(huán)境中，采用C#開發(fā)了USB3.0對(duì)接的上位機(jī)軟件設(shè)備。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

（1）從程序架構(gòu)角度考慮，數(shù)據(jù)傳輸功能、顯示功能以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能分為獨(dú)立的3個(gè)部分，分別由相應(yīng)的類實(shí)現(xiàn)。

（2）使用事件傳遞內(nèi)容，減小數(shù)據(jù)傳輸部分、顯示部分以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的耦合度。

（3）程序功能相對(duì)復(fù)雜，分步實(shí)現(xiàn)：先完成USB設(shè)備檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接功能；然后傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；最后實(shí)現(xiàn)界面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新[2]。

上位機(jī)窗體界面主要有3個(gè)部分組成，即設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)以及接收與發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如圖1所示。程序總體工作流程如圖2所示。

2 程序功能實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)

當(dāng)USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)時(shí)，能夠自動(dòng)獲取USB設(shè)備列表、傳輸端點(diǎn)；當(dāng)USB設(shè)備被移除后，能夠自動(dòng)識(shí)別USB設(shè)備已被斷開，重新設(shè)置和獲取USB設(shè)備。其部分程序如下：

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸分為兩類，一是PC（ personal computer ）向USB設(shè)備寫數(shù)據(jù)，二是PC從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。主要使用BeginDataXfer函數(shù)通過(guò)端點(diǎn)進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸，使用FinishDataXfer函數(shù)執(zhí)行異步I/O數(shù)據(jù)傳輸，獲取并保存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)以及傳輸結(jié)果。本文主要探討PC從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)保存到指定文件。由于USB3.0的傳輸速度非常快，最大速度可以達(dá)到5.0Gb/s，為實(shí)現(xiàn)更快的接收速率，本文在程序設(shè)計(jì)中開起兩個(gè)線程[3]。其中，一個(gè)線程用于接收USB設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)，稱為讀線程；另一個(gè)線程用于把接收到的數(shù)據(jù)存盤，稱為寫線程，而且考慮到傳輸數(shù)據(jù)的完整性和一致性，還需要建立一個(gè)線程安全隊(duì)列。此外，考慮錯(cuò)誤處理、程序異常等情況，本文程序開啟了一個(gè)監(jiān)視隊(duì)列線程，用于監(jiān)視隊(duì)列中元素的變化，保證讀線程和寫線程能夠更好地同步執(zhí)行，如圖3所示。

程序中，借助AutoResetEvent類從一個(gè)線程向另一個(gè)線程發(fā)送通知[4]。

Static AutoResetEvent m_Write = new AutoResetEvent（false）；//從監(jiān)視隊(duì)列線程向?qū)懢€程發(fā)信號(hào)

static AutoResetEvent m_WriteMonitor = new AutoResetEvent（false）；//從寫線程向監(jiān)視隊(duì)列線程發(fā)送信號(hào)

ConcurrentQueue提供線程安全的先進(jìn)先出集合，這意味著元素出隊(duì)列的順序和加入隊(duì)列的順序是一致的，能保證在同一時(shí)間只有一個(gè)線程能訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)線程的安全和串行化[4]。在程序中，本文使用ConcurrentQueue集合實(shí)例創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)隊(duì)列。

Private static ConcurrentQueue _ConcurrenProducts = new ConcurrentQueue（）；

首先，定義一個(gè)被操作對(duì)象的類CustomTask，用于保存操作結(jié)果。在這個(gè)類中，由一個(gè)字段和類構(gòu)造函數(shù)。讀線程把接收到的數(shù)據(jù)添加到隊(duì)列，而寫線程將隊(duì)列中的數(shù)據(jù)寫入到文件中。

2.3 界面動(dòng)態(tài)顯示

在C#的應(yīng)用程序開發(fā)中，經(jīng)常要把UI線程和工作線程分開，防止界面停止響應(yīng)，同時(shí)需要在工作線程中更新UI界面上的控件。由于.NET禁止跨線程調(diào)用控件，使用delegate和invoke從其它線程中調(diào)用控件，使用定時(shí)器，每隔1s更新一次界面[56]。

首先在System.Timers.Timer類中創(chuàng)建一個(gè)time定時(shí)器，其輕量、計(jì)時(shí)精確，對(duì)應(yīng)用程序、消息沒有特別的要求。

然后，把需要更新的控件都加入updataUI事件中，在程序開始接收數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置time.Enabled 為true，啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)開始計(jì)時(shí) t1=DateTime.Now。下面以更新接收數(shù)據(jù)的時(shí)間和傳輸數(shù)據(jù)的速率為例說(shuō)明。

2.4 軟件測(cè)試

在PC上安裝好USB3.0設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，然后測(cè)試上位機(jī)在不同發(fā)送速率和不同發(fā)送數(shù)據(jù)大小下數(shù)據(jù)接收一致性和完整性，同時(shí)要求保證界面運(yùn)行良好。圖4截取了接收數(shù)據(jù)的一部分。經(jīng)測(cè)試，上位機(jī)程序均滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

在.NET平臺(tái)下，利用C#開發(fā)了USB3.0接口的上位機(jī)軟件，為USB3.0設(shè)備測(cè)試提供了良好的人機(jī)交互界面。該程序運(yùn)行穩(wěn)定，界面操作直觀簡(jiǎn)單，方便了操作人員測(cè)試，提高了USB3.0設(shè)備的測(cè)試效率。測(cè)試結(jié)果表明，本軟件滿足USB3.0的高速傳輸數(shù)據(jù)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 黃承安.C#網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用案例導(dǎo)航[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003：7882.

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[4] Eugene Agafonov著.C#多線程編程實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：3540.

[5] 李江全.Visual C#.NET串口通信及測(cè)控應(yīng)用典型實(shí)例[M]北京：電子工業(yè)出版社，2012：138145.

[6] 王晶.USB3.0高速信號(hào)完整性分析及其應(yīng)用[D].西安： 西安電子科技大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）