基于STM32的简易示波器设备驱动的研究

文章来自http://bbs.21ic.com/club/bbs/bbsview.asp?essenceID=10689

　　这是一位应届毕业大学生的毕业设计，我看了之后，感触良多，很值得学习，当年我毕业的时候，只知道51，哈，嗨！。

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。

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，

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：


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u***_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。


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U***_prop.c 里面这个函数


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:WINDDK2600（如果DDK安装在C盘），然后要编译DriverStudio安装目录下DriverStudioDriverWorkssourceVdwLibs.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u***bulk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


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


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：

其中GUID* pClassGuid是对应的设备的GUID，具体定义如下：
GUID g_U***Guid=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_hU***Device,        //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_hU***Device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。

  至此基本完成了驱动的开发。主要是论述下我学习的整个过程，因为在学习的过程中，最大的苦恼是有时不知道应该朝哪里努力。套用圈圈的一句话：真希望能来个大仙来指指路。涉及到的内容相对本科毕设还是比较多的。很多地方都没吃透。
  第一次发帖，先在word上编辑好的，格式可能会有错误。  帖子里有些内容是我从论文里直接复制过来的。东西是去年做的，没有及时做总结，很多地方都忘掉了。可能会有很多错误，大家指正。
  留下我的联系方式：E-MAIL:fmj118@gmail.com   QQ ：110053142 大家有啥新发现不要忘了我啊。最近在想开始学习UCOS如果有做过这块的同学，现在正在搞USB。能交换学习就更好了。
  刚刚发现量这个帖子
http://www.ouravr.com/bbs/bbs_co ... ext=u***&bbs_id=3020
也是包括了固件，驱动，上位机写的比我详细很多，一起学习下。