（信号与信息处理专业论文）基于usb的温度采集系统.pdf

1 i j ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e d e s i g no ft e m p e r a t u r es a m p l es y s t e mb a s e d o nu s b i n t e r f a c e m a s t e rc a n d i d a t e ：h uj i a n x u n s u p e r v i s o r ：p r o f t o n gh u a i m a y 2 0 1 0 f a c u l t yo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u , g u a n g d o n g ，er c h i n a , 510 0 9 0 摘要 摘要 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在p c 或 工控机内安装数据采集卡，大多采用i s a 或p c i 接口标准，虽然具有速度快的优点，但 在进行多路数据采集的时候，也存在计算机插槽数量、地址资源、中断资源的限制、 可扩展性差等问题。通用串行总线( u s a ) 的出现很好的解决了这个问题。目前u s b 2 0 最大速度达到了4 8 0m b p s ，具有双向、廉价、热插拔、方便、易扩展、高速的特点。 在实时数据采集系统中采用u s b 技术可很好地实现快速、低成本、高可靠性、多点的 数据采集。所以基于u s b 接口的高性能便携式数据采集器的研制备受瞩目。 本文探讨了以高性能的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片以及a d 7 4 1 6 采样芯片构建的高速数据采 集系统。分硬件部分和软件部分详细讨论了各种协议和功能模块的设计。硬件部分包 括温度数据采集，及u s b 两个模块，所有的硬件模块都在c y 7 c 6 8 0 1 3 的协调控制下工 作；软件部分包括下位机程序和上位机程序。该系统与p c 机接口部分设计严格遵守 u s b 2 0 协议，具有一定的通用性，对于基于u s b 的高速数据采集系统的设计具有一定 的应用参考价值。 关键词：通用串行总线；温度采集；数据处理 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e r eq u i r e m e n t so fd m a s a m p l i n gt e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l yi t sp r e c i s i o na n ds p e e da r eb e c o m i n gh i g h e r a n dh i g h e r m o s to fd a t as a m p l i n gs y s t e m sb a s e do ni s ao rp c it e c h n i q u eh a v es o m e d e f e c t s ，s u c ha sc o m p l e x ，e x p e n s i v e ，u n e x p a n d e d t h e s ed e f e c t s s e r i o u s l yl i m i tt h e i r a p p l i c a t i o n t h ea p p e a r a n c eo fu n i v e r s a ls e r i a lb u sr e s o l v e st h i sp r o b l e mp r o p e r l y t h e t r a n s f e rs p e e do fu s b 2 0i su pt o4 8 0m b p s t h eb u sh a ss o m ev i r t u e s s u c ha u sc o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n ，h i g hb a n d w i d t h ，e a s i l ye x p a n d e d ，h i g hs p e e d a n ds oo n s oi th a sb e c o m ea d e v e l o p i n gt r e n do fm o d e md a t aa c q u i s i t i o nt r a n s m i s s i o ng r a d u a l l y t h er e a l t i m ed a t a s a m p l i n gs y s t e mu s i n gu s bt e c h n o l o g yc a nb eh i 曲s p e e d ，l o w - c o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y s o t h eu s b b a s e ds i g n a ls a m l i n gd e v i c e sa r eg e t t i n gg r e a ta t t e n t i o n s t h i sp a p e rd e s i g n sah i g h - s p e e dr e a l - - t i m ed a t as a m p l i n gs y s t e mb a s e do nc y 7 c 6 8 013 a n da d 7 416 t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t sw h i c ha r eh a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r ep a r t t h eh a r d w a r ep a r t i n c l u d e sa n a l o gt e m p e r a t u r ed a t as a m p l i n ga n du s bt w om o d u l e s t h e s o f t w a r ep a r ti n c l u d e sm f c ，u s bf i r m w a r ea n dp ca p p l i c a t i o n s o f l w a r eb a s e do nm f c t h r o u g ha dc o n v e r s i o n ，t h ed a t aa r ep a s s e dt ot h ec y 7 c 6 8 0 13 t h e nt h ed a t aa r es e n tt o h o s tc o m p u t e rv i au s bi n t e r f a c e t h i ss y s t e mi s s t r i c t l ya c c o r d i n gt ou s b 2 0 ，s oi ti su s e f u l f o rt h ea p p l i c a t i o no fu s bh i g h s p e e ds i g n a ls a m p l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：u s b ( u n i v e r s a ls e r i e sb u s ) ；t e m p e r a t u r es i g n a ls a m p l i n g ；d a t ap r o c e s s i n g i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 课题工作及论文结构3 1 3 本章小结。3 第二章系统设计方案及原理4 2 1 系统设计方案4 2 1 1 系统框图4 2 1 2 功能设想5 2 2 通用串行总线5 2 2 1 总线构成5 2 2 2 集线器( h u b ) 两大类6 2 2 3 物理连接7 2 2 4 系统分层。9 2 2 5 总线特点1 0 2 3 系统工作原理1 1 2 3 1 温度采样11 2 3 2u s b 芯片1 1 2 3 3u s b 传输l4 第三章系统硬件设计1 6 3 1a d 7 4 1 6 芯片1 6 3 2c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片1 9 3 2 1c y 7 c 6 8 0 1 3 的芯片结构如图3 5 2 0 3 2 2c y 7 c 6 8 0 1 3 的外围电路2 2 3 3 3c y 7 c 6 8 0 1 3 与a d 7 4 1 6 通讯2 4 i i i 广东工业大学硕士学位论文 3 3 本章小结2 5 第四章系统软件设计2 6 4 1e z u s bf x 2 软件设计2 6 4 1 1 主程序框架模板程序。2 6 4 1 2 构件框架2 8 4 2p c 端m f c 应用程序设计4 0 4 2 1 创建线程4 2 4 2 2c r e a t e t h r e a d 函数4 4 4 2 1u s b 驱动程序。4 5 4 2 2 人机界面程序。4 8 4 3 本章小结5 5 第五章实验及功能实现5 6 5 1 数据传输实验5 6 5 1 1 数据上传5 6 5 1 2 数据下传5 8 5 1 3 精度对比分析5 8 5 2 仪器功能实现5 9 5 2 1 采集方式5 9 5 2 2 触发方式5 9 5 2 3 采样频率设置5 9 5 3 软件分析6 0 5 4 本章小结6 1 全文总结6 2 主要结论6 2 研究展望6 2 参考文献6 4 攻读学位期间发表论文6 6 i v 目录 独创性声明6 7 致谢6 8 v c o n t e n t s a b s t r a c t i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1p r e f a c e 1 1 2p r o j e c tw o r ka n dp a p e r ss t r u c t u r e 3 1 3c h a p t e rs u m m a r y 3 c h a p t e r 2s y s t e md e s i g na n d t h e o r y 4 2 1f 埘c t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l es c h e m ed e s i g n 4 2 1 1s y s t e mc h a r t 4 2 1 2f u n c t i o n a lv i s i o n “5 2 2u s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s 5 2 2 1b u s 5 2 2 2h u b ( h u b ) t w oc a t e g o r i e s 6 2 2 3p h y s i c a lc o n n e c t i o n 7 2 2 4h i e r a r c h i c a ls y s t e m 9 2 2 5p c i 1 0 2 3o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs y s t e m 1 l 2 3 1t e m p e r a t u r es a m p l e 1 1 2 3 2u s bc h i p 11 2 3 3u s bt r a n s m i s s i o n 1 4 c h a l p l t e r 3h a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m 1 6 3 1a d 7 4 1 6c h i p 1 6 3 2c y 7 c 6 8 0 1 3c h i p 1 9 3 2 1c y 7 c 6 8 013c h i pa r c h i t e c t u r e 2 0 3 2 2c y 7 c 6 8 0 1 3p e r i p h e r a lc i r c u i t 2 2 3 3 3c o m n l u n i c a t i o n sb e t w e e nc y 7 c 6 8 0 1 3a n d a d 7 4 1 6 2 4 3 3c h a p t e rs u m m a r y 2 5 c h a p t e r 4s o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m “2 6 v i c o n t e n t s 4 1s o f t w a r ed e s i g no fe z u s bf x 2 2 6 4 1 1t h em a i nf r a m et e m p l a t ep r o g r a m 2 6 4 1 2f r a m i n gm e m b e r 2 8 4 2a p p l i c a t i o nd e s i g no ft h em f c 4 0 4 2 1c r e a t e t h r e a d 4 2 4 2 2c r e a t e t h r e a df u n c t i o n 4 4 4 2 1d r i v e ro fu s b 4 5 4 2 2i n t e r f a c eo f p r o g r a m 4 8 4 3c h a p t e rs u m _ m a r y 5 5 c h a p t e r 5e x p e r i m e n ta n dr e a l i z a t i o n 5 6 5 1d a t at r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t 5 6 5 1 1u p l o a dd a t a 5 6 5 1 2d o w n l o a dd a t a 5 8 5 1 3a c c u r a c yc o m p a r i s o na n a l y s i s 5 8 5 2i n s t r u m e n t so f i m p l e m e n t a t i o n 5 9 5 2 1d a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s 5 9 5 2 2t r i g g e r i n gm e c h a n i s m 5 9 5 2 3s a m p l i n gf r e q u e n c ys e t t i n g s 5 9 5 3s o f t w a r ea n a l y s i s 6 0 5 4c h a p t e rs u m m a r y 61 c h a p t e r 6f u l lt e x ts u m m a r y 6 2 6 ie x e c u t i v es u m m a r y 6 2 6 2e x p e c t a t i o no f t h er e s e a r c h 6 2 r e f e r e n c e 6 4 t h ep u b l i s h e dp a p e rd u r i n gm a s t e rp e r i o d 6 6 d e c l a r a t i o n 6 7 a c k n o w l e d e m e n t 6 8 v i i 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 近年来，现代工业生产和科学研究对温度采集的要求日益提高。中低端温度数据 采集系统目前比较通用的是在p c 或工控机内安装数据采集卡，目前各专业测控公司很 多时候采用i s a 、p c i 接标准的插卡式数据采集卡，虽然具有速度快的优点，但在进行 多路数据采集的时候，也存但这些数据采集设备存在计算机插槽数量、地址资源、中 断资源的限制、可扩展性差等问题，在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其 做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。另外，在需要移动作业的场合，这种台式p c 的板 载采集卡就明显不适用，而且由于传统的r s 2 3 2 接口在许多笔记本电脑中已被逐步摒 弃，串口数据采集装置也变得越来越尴尬。 随着计算机的发展，u s b 技术已成为计算机领域发展最快的技术之一，并为越来 越多的个人电脑使用者所接受。而u s b 作为一种新兴的技术，逐渐取代其他接口的数 据通信标准。最早是由c o m p a q 、i b m 、n e c 、m i c r o s o f t 等7 家公司于1 9 9 4 年1 1 月 共同提出开发一种新的外设连接技术。这一技术最终是为了解决串行设备和并行设备 如何与计算机相连的问题。从而简化计算机与外设的连接过程。其目的是想用u s b 来 取代p c 机现有的各种外围接口，使外围设备的连接具有通用化、即插即用、热插拔等 特点。它追求的是外设的通用性，它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使 p c 机接口的扩展变得更加容易。为了把外围设备连接到p c 机上，u s b 提供了一种低 成本的解决方案，设备连接后由u s b 自动检测，并且由软件自动配置，完成后即可使 用，即插即用。 u s b 支持主机与各种即插即用的外设之间的数据传输。由主机预定的标准协议使 各种设备分享u s b 带宽。当其他设备和主机运行时，总线允许添加、设置、使用以及 拆除外设。 u s b 定义了一种简单的连接器，它可以用来连接任何一个u s b 设备，多个连接器 可以通过u s b 集线器连接。每个u s b 总线支持1 2 7 个设备的连接，u s b 支持三种设 备传输速率：低速( 1 5 m b s ) 、全速( 1 2 m b s ) 和高速( 4 8 0 m b s ) 。外围设备能够直接通过 总线供电，u s b 总线提供最大5 v 电压，5 0 0 m a 的电流【1 1 。 广东工业大学硕士学位论文 u s b 技术正在不断地发展和完善，随着u s b 3 0 版本的发布，越来越多支持u s b 技术的外设也在不断地涌现，如今它已成为p c 外设的一个标准接口，如u s b 键盘鼠 标、u s b 调n 解调器、m p 3 m p 4 、u 盘以及手机等。可以预见，u s b 的应用肯定会 越来越广泛，以后的主板上将没有p s 2 、c o m 等规格不一的外设接口，取而代之的是 数个u s b 接口，所有外设都通过这一接口连接。 在对多类型、多通道信号同时进行检测和控制中，传统的测控系统能力有限。如 何将计算机与各种设施、设备结合，简化人工操作并实现自动控制，满足社会的需求， 成为一个很迫切的问题。温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、 节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。由单片集成电路构成的温度传感器的种 类越来越多，测量的精度越来越高，响应时间越来越短，因其使用方便、无需变换电 路等特点己经得到了广泛的应用。 随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产的 自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集就是其中之一。同 时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先 进，使人们相信这是科技进步的成果。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别 是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电 子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应 用。 温度采集系统的开发在很大意义上提高了生产生活的需要，方便了生产中对温度 的控制，有效的提高了生产质量。外围电路比较简单杂，测量精度较高，分辨力高， 使用方便。温度检测是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量、节约能源和 安全生产等方面起着关键的作用。传统的模拟温度传感器或是外围电路复杂，或是需 要设计a d 转换、操作烦琐，在使用上都受到一定的限制，本文用数字温度传感器 a d 7 4 1 6 设计温度采集系统，体积小、功耗低、编程简单操作方便。芯片带有自动比较、 可编程控制输出端o t i ，在温控系统设计中有很大优势，另外，a d 7 4 1 6 功耗低，可以 编程控制工作与休眠状态的切换，在低功耗系统设计中也有广泛应用【2 1 。 2 第一章绪论 1 2 课题工作及论文结构 本文将探讨一种基于u s b 2 0 的温度采集系统的开发，详细介绍硬件和软件开发的 细节，并仔细描述了实验结果及相关功能的实现。 该项目的主要工作和任务如下： ( 1 ) u s b 温度采集系统设计：确定设计方案，并针对其进行可行性分析。 ( 2 ) 硬件电路的设计：主要是原理图的绘制，p c b 版图的绘制，以及样板制作。 ( 3 ) 软件设计：包括u s b 芯片及应用程序和上位机程序的设计及调试。 ( 4 ) 功能调试：对各种设想的功能进行设计和调试。 ( 5 ) 论文撰写。 本论文内容的安排如下： ( 1 ) 第一章简要介绍了本论文的背景、意义、任务和各章节安排。 ( 2 ) 第二章简要介绍了系统设计方案及原理，还简介了u s b 协议。 ( 3 ) 第三章介绍了温度采集系统的硬件设计。 ( 4 ) 第四章介绍了温度采集系统的软件设计。 ( 5 ) 第五章列出了实验结果及相关功能的实现情况。 ( 6 ) 第六章对全文做进一步的总结。 1 3 本章小结 本章首先探讨本课题的背景及意义，并在第2 节中详细介绍了当前温度采集系统的 研究动向。通过对以上相关资料的研究，确定项目发展方向，并在第3 节介绍了本课题 的主要工作，最后介绍本论文内容安排。 广东工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案和原理 2 1 系统设计方案 本温度采集系统的总体流程是：通过温度传感器a d 7 4 1 6 快速采集温度数据到它的 数据寄存器中，之后通过u s b 芯片的1 2 c 接口定时发送地址到a d 7 4 1 6 ，选择a d 7 4 1 6 寄存器的数据地址，接着发送数据信号接收温度数据。在p c 机上通过自己编写的m f c 程序定期发送输入中断信号到u s b 芯片来获取收到的温度数据，再通过m f c 程序现实 在屏幕上，来进行实时显示和检测。 2 1 1 系统框图 详细的e z u s bf x 2 的1 2 8 引脚封装简化框图如图2 1 。 图2 1e z - u s bf x 2 的1 2 8 引脚封装简化框图 f i 9 2 1s i m p l i f i e db l o c kd i a g r a mp a c k a g eo fe z u s bf x 212 8f o o t p r i n t s 4 第二章系统设计和原理 2 1 2 功能设想 该课题的目标产品是一个通道、采样频率和控制方式均可调的多功能的温度数据 采集仪器，可以针对不同的信号输入，在p c 机程序界面加以灵活配置，并发送到 下位机进行设置，按设置方式进行数据采集，最后再在计算机上进行处理和显示。 ( 1 ) 采样频率调整：在后期信号处理阶段，采样频率是一个关键性的参数，针对不 同的信号频率，调整采样频率的能力是一个亮点，这会大大提供温度处理的效率和精 度。 ( 2 ) 控制方式：为了适应多芯片采集的需要，在控制方式上进行了重新设计，在需 要的显示指定温度采集芯片的采集数据时能够自由选择，在通过向p c 机上改写需要发 送的u s b 地址来有机选择。 ( 3 ) 采样方式：针对客户的要求，该仪器还将具有连续采集、定长采集、触发采集 这些采集方式：连续采集即根据拥护要求开始采集之后，只有接到停止命令才会停止； 定长采集顾名思义是采集定长数据之后即停止；触发采集则是有触发信号作为开始标 志的采集方式。 2 2 通用串行总线 在本文中用到了u s b 接口，通用串行总线( u s a ) 是一种通用的，并逐渐取代其他 接口的数据通信标准。最早是由i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 等7 家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出。其目的是用u s b 来取代p c 机现有的各种外围接口，使外围设备的连接 具有单一化、即插即用、热插拔等特点。它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程， 使p c 机接1 ：3 的扩展变得更加容易。为了对系统工作原理特别是u s b 传输有更深的了 解，下面将分总线构成、物理连接、系统分层、以及总线特点详细地介绍这种接口和 协议。 2 2 1 总线构成 u s b 总线主要构成可以分为主机( h o s t ) 和设备( d e v i c e ) ，u s b 的总线结构是采用阶 梯式星形的拓扑结构。每一个星形的中心是集线器，而每一个设备可以通过集线器上 的接i ：3 来加以连接。从图中可以看到u s b 的设备包含了两种类型：u s b 集线器与与 u s b 设备。位于最顶端的就是h o s t ( 主机端) 。从h o s t 的联机往下连接至h u b ( 集线 广东工业大学硕士学位论文 器) ，再由集线器按阶梯式一层或一阶的方式往下扩展出去，连接在下一层的设备或另 一个集线器上。事实上，集线器也可视为一种设备。而其中最大层数为6 层( 包括计 算机内部的根集线器) 。每一个星形的外接点的数目可加以变化，一般集线器具有2 、4 或7 个接口。 主机端通常是指p c 主机。当然，主机端因具有根集线器，因此也含有集线器的功 能。而集线器是在u s b 规范中特别定义出来的外围设备，除了扩增系统的连接点外， 还负责中继上端下端的信号以及控制各个下端端口的电源管理。至于另一个设备，即 是用户常见的外围设备。但是u s b 规范书中，称这种设备为“功能”，意味着此系统 提供了某些“能力 ，例如具有键盘或鼠标等功能。当然不同的外围设备可以具有不同 的功能。 u s b 主机是u s b 中唯一的用于协调工作的实体。任何u s b 系统中都只有一个主 机。u s b 主机的逻辑构成包括：u s b 主控制器( u s b 和主机系统的接口) 、u s b 整体系 统软件( u s b 驱动程序，主控制器驱动程序和主机软件) 以及客户软件三部分。主机受 u s b 系统软件控制，负责与u s b 设备的通信，电源管理，错误检测。u s b 系统软件 通常由主板制造商提供，它为u s b 客户软件和u s b 设备提供一个标准的服务接口， 把u s b 主机控制器的各种信息传送到客户软件，或把客户软件需要发送的数据信息送 到u s b 设备。u s b 客户软件主要用于实现与具体的u s b 设备进行数据交流。它解释 收到的数据类型，并向u s b 设备发出相关的控制命令或数据。u s b 主机内还嵌入了根 集线器，用来提供u s b 连接点。因此，在u s b 系统软件和u s b 客户软件的控制下， u s b 主机可通过主机控制器与根集线器所连的u s b 设备进行交互【1 1 。u s b 物理设备 向主机提供了附加功能，虽然这些u s b 设备所提供的功能差异很大，但所有的u s b 逻辑设备都具有相同的接入主机的基本接口，所以主机能够通过相同的方式管理不同 的u s b 设备中与u s b 有关的问题。u s b 设备可分为功能部件和物理连接【s 】。 2 2 2 集线器( h u b ) 两大类 功能部件是指带有u s b 接口的外部设备。每个功能部件中都有描述其性能和所需 资源的配置信息，使用前u s b 主机根据信息完成对它的配置。常见的功能部件包括移 动硬盘、集线器是一种用来提供扩展端口的特殊的u s b 设备。它有上行端口和下行端 自，下行端口可接u s b 设备也可接u s bh u b 。集线器可检测每个下行端口的设备的 安装和拆卸，区分高速设备和低速设备，而且还能给设备分配能源，如果下行的设备 6 第二章系统设计方案和原理 过多导致供电问题，可能还需要外接电源。u s b 总线上的设备以星形的拓扑结构实现 与主机的物理连接，接入点由集线器提供。主机中包含了一个根集线器，通过此集线 器，主机可以提供一个或多个接入点n 1 1 。 2 2 3 物理连接 u s b 电缆中有四根导线：一对双绞数据线d + ，d ，一对符合标准的电源线v b u s 和g n d ，如图2 2 所示。 v r i j s d + d g n d 厂 、 ( x ) ( ) k v b u s d + d g n d 图2 2 物理接口图 f i g 2 - 2i n t e r f a c eo fp h y s i c s 按照位置区分u s b 连接器有两种类型：一种用来连接下游设备，如p c 机后面的 根集线器；另一种用来连接上游的h u b 或功能部件。上行连接器和下行连接器不可简 单互换，所有设备都有一个上行的连接。 u s b 主机、u s bh u b 都支持1 5 m b p s 、1 2 m b p s 和4 8 0 m b p s 三种数据传输率。而 u s b 功能部件只支持其中一种传输模式，因而为了区分不同的传输模式，高速设备、 全速设备和低速设备的总线连接是有区别的。 u s b 采用在d + 或d 线上增加上拉电阻的方法来识别低速和全速设备，如图2 3 ， 图2 - 4 所示：电缆的下行端的电阻r p u 在两图中的连接位置是不同的。正因为这样， u s b 系统才可以根据总线d + ，d 上的电平来判定u s b 设备的类型和连接状态【3 1 。 7 广东工业大学硕士学位论文 图2 - 3 低速u s b 设备图 f i g 2 3t h el o w s p e e dd e v i c eo fu s b 高速设备在连接起始时需以全速速率与主机进行通信，以完成其配置操作，这时 需要在d + 线上连接1 5 k 的电阻r p u 至3 0 v - 3 6 v 的电压。当高速设备正常工作时， 如果采用高速传输的话，d + 线不可上拉；但如果仍采用全速传输，则在d + 线上必须使 用上拉电阻r p u 5 1 。所以，为识别高速u s b 设备，需要在上拉电阻r p u 和d + 线之间 连接一个软件控制的开关，如图2 4 所示。 图2 - 4 高速u s b 设备图 f i g 2 - 4t h eh i g h s p e e dd e v i c eo fu s b 8 第二章系统设计方案和原理 2 2 4 系统分层 对终端用户来说，u s b 系统就是u s b 设备到主机的简单连接，但对开发人员来说， 这种连接可被分为三个逻辑层：功能层、u s b 设备层和u s b 接口层，且每一层都由主 机和u s b 设备的不同功能模块组成，如图2 5 所示。这种分层简化了u s b 通信机制， 有利于读者理解主机的软硬件和u s b 设备之间的通信关系。 物理通信流- 逻辑通信流 图2 5u s b 系统层次结构图 f i g 2 5t h es y s t e ms t r u c t u r eo fu s b ( 1 ) 功能层：负责实现u s b 设备的特定功能，如传输照片、打印文档等。该层不理 解u s b 的串行传输机制，而只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它由主机方的客 户软件和设备方的功能单元组成。功能单元是客户软件对u s b 设备的抽象，且被看作 是一个接口的集合。 ( 2 ) u s b 设备层：实现了主机和u s b 设备之间的配置通信，如为u s b 设备分配地 址，读取配置描述符等。该层理解u s b 通信机制和功能层所要求的传输特性，它由主 机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑设备组成。u s b 逻辑设备是u s b 系统软件 对u s b 设备的抽象，它被看作是一个端点的集合。 ( 3 ) u s b 总线接口层：实现了主机和u s b 设备间的实际传输，它由主机方的u s b 主控制器( 包括根集线器) 和设备方的u s b 总线接口两部分组成。 9 广东工业大学硕士学位论文 2 2 5 总线特点 u s b 从传统i o 模式的局限中解放出来，开辟了一条外设与p c 机连接的新方法。 u s b 比其他老式p c 接口具有如下优点【1 】： ( 1 ) 热插拔。用户将u s b 外设连接到p c 机上，操作系统能够自动识别，不需要重 新启动p c 机，即可立刻使用。也可以在任何时刻断开u s b 外设，不会损坏p c 机和 外设。 ( 2 ) 即插即用。u s b 不需要用户手工配置i o 和中断请求，操作系统会自动检测 u s b 外设的连接，并加载合适的驱动程序。 ( 3 ) 共享式接口。u s b 端口支持多个外设的连接，通过集线器，一个u s b 主控制器 上最多可以连接1 2 6 个外设。 ( 4 ) 接口体积小巧。u s b 接口比其他老式接口小且薄，更适合外设体积的小型化。 ( 5 ) 节省系统资源。在u s b 系统中，仅u s b 主控制器需要使用一根i r q 线和一些 i o 地址空间。u s b 外设需要的只是u s b 系统为其分配一个唯一的地址。 ( 6 ) 灵活。u s b 支持三种类型的传输速率：1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传 输和4 8 0 m b s 的高速传输；四种传输类型：块传输、中断传输、控制传输和同步传输， 这使其能适合多种外设的需要。 ( 7 ) 低成本。带有u s b 接口的外设和具有同样功能的老接口外设相比，价格差不多， 甚至更便宜。 ( 8 ) 性能可靠。u s b 系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠 性。 ( 9 ) 提供电源。用户可以直接使用总线电源，而且u s b 支持低功耗模式，若连续 3 m s 没有总线活动的话，u s b 会自动进入挂起状态，节省电能消耗。 ( 1 0 ) 兼容性。u s b 规范有良好的向下兼容性，如u s b 2 0 的主控制器完全向下兼容 u s b i 1 的产品，操作系统在检测到全速u s b 设备接入时，会自动按照1 2 m s 的速率 进行传输【6 1 。 l o 第二章系统设计方案和原理 2 3 系统工作原理 2 3 1 温度采样 a d 7 4 1 6 是美国模拟器件公司( a d i ) 出品的单片机温度监控系统集成电路。其内 部包含有带隙温度传感器和1 0 位模数转换器，可将感应温度转换为0 2 5 量化间隔的 数字信号，以便用来与用户设置的温度点进行比较。