USB总线数据采集设备驱动程序的设计

　　0 引言

　　随着计算机应用技术的发展，虚拟仪器、自动测试系统、自动控制等领域，均越来越多的应用计算机来进行数据处理。USB总线标准的提出，解决了计算机传统I/O接口通用性差、不易扩展、易受计算机插槽数量、地址和中断资源的限制等缺点，使计算机在测控领域的重要性与日俱增，也使USB总线在数采测控业界备受关注，并在各种测控设备中迅速发展，但专用的USB设备不能像鼠标、键盘等HID类设备一样使用Windows系统提供的标准驱动程序，而是需要开发专用的驱动程序。开发驱动程序与开发Windows应用程序完全不同，驱动程序以系统的内核模式运行，任何细小的错误都可能引起操作系统的崩溃。因此，专用设备驱动程序开发的复杂性，成为了USB总线在该领域发展的瓶颈。随着军事装备自动化、数字化、智能化程度越来越高，一种更为简便的驱动程序开发方法的探讨十分有益。基于军用电站检测仪中USB数据采集模块的开发，介绍了USB专用设备驱动程序开发的一般过程。

　　1 WDM驱动程序概述

　　WDM(windows driver mode)是微软推出的一种驱动程序模型，以简化驱动程序的开发。它采用分层驱动的方式，即在应用程序和物理设备之间存在着几个不同层次的驱动程序，且各层驱动程序有不同的优先级，每个驱动程序对应一层，不同层上的驱动程序可以相互调用。USB系统的组成如图1所示：应用程序通过API函数调用Win32系统子函数，驱动程序分为设备驱动程序，总线驱动程序(USBD)和主控制器驱动程序(HCD)三层，它们均运行在系统的内核模式。设备驱动程序使用IRP(I/ORequest Packet)通过总线驱动程序提供的软件接口(USBDI，USB Driver Interface)向总线驱动程序发出I/O请求，并根据数据传输方向提供一个或空或满的内存缓冲区;USBD负责管理数据的总线传输，也有设备驱动程序与其他软件接口的功能单元进行通信，没有直接调用USBD，但总有一个更低层的驱动软件发生USBD调用。主控制器驱动程序处在USB系统软件的最底层，直接与主控制器的硬件通信，它提供了只有总线驱动程序才能访问的主控制器驱动程序软件接口HCDI(Host Control Driver Interface)。其中，总线驱动程序和主控制器驱动程序是系统的底层驱动程序。设备驱动程序是针对某一USB设备的专用驱动程序。

　　2 数据采集设备驱动程序的开发

　　Windows为USB设备提供了底层驱动程序，与底层驱动程序接口的是I/O请求包(IRP)，Windows为应用程序提供的接口则是API函数。因此必须在它们之间建立一个驱动程序，在底层驱动与Win32应用程序之间传递消息，即设备驱动程序。VC++、VB等软件开发的应用程序，在设备驱动程序的支持下，都可以调用ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()等API函数向设备传递主机请求。Windows系统自动将API调用转化为IRP，设备驱动程序把它向下层驱动传递。直到完成其所指定的功能再沿驱动程序栈返回主机。