（信号与信息处理专业论文）基于labview数据采集系统的设计.pdf

中文摘要 摘要 本论文设计了一种用于约瑟大森结的s h a p i r o 台阶测量的基于l a b v i e w 接 口的u s b 数据采集系统。u s b 是近年来流行的总线形式。u s b 标准统一，携带 方便，支持热插拔。基于u s b 的数据采集装置速度快，扩展性好，适用的场合 更加广泛。 本文选用c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片，c y g n a l 公 司的s o c 型8 位单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为核心芯片组成的数据采集系统。上位机 程序在n i 公司的图形化编程语言l a b v i e w 环境下进行开发。 本文共分六章。首先讨论了约瑟夫森效应以及数据采集技术的相关问题， 并简单介绍了虚拟技术的概念，接下第二部分来详细的介绍了u s b 的体系结构。 本文的重点内容是硬件设计和和软件开发。这部分详细论述了硬件接口电路， 固件程序，软件驱动程序，a d 转换程序以及基于l a b v i e w 的上位机程序开发。 最后给出实验结果并对全文内容进行总结。 关键词：u s b 2 0 数据采集虚拟仪器l a b v i e w a b s t r a c t ab s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e m e d 、i t ht h ed e s i g no fad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nl a b v i e wa n df o rt h ed e t e c t i n go ft h es h a p r i os t e p s u s bi sap r e v a l e n t 够p eo fc o m p u t e rb u si nr e c e n ty e a r s u s bh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha su n i f o r m s t a n d a r d ，e a s yt ot a k e 、) l ，i t l la n dp l u g a n d p l a yf u n c t i o n b e s i d e s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m sb a s e do nu s bn o to n l yh a v eah i g hs p e e db u ta l s ob e i n gc o n v e n i e n t l y e x p a n d e d t h e s em a k et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m su s e f u li nm o r ea n dm o r ef i e l d s t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc y p r e s s e z - u s bf x 2i n t e r f a c ec h i p c y 7 c 6 8 013a n dc y g n a l 8 一b i t ss o cc h i pc 8 9 51f 0 2 0 l a b v l e wi su s e df o rt h e d e s i g no f t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h e r ea r e6c h a p t e r si nt h i sp a p e t t h ef f i s to n ei n t r o d u c e sb r i e f l ya b o u ts o m e b a s i ck n o w l e d g et h a tr e l a t e dt ot h et o p i c s u c ha sj o s e p h s o ne f f e c t ，p r i n c i p l eo fd a t a a c q u i s i t i o na n da b o u tv i r t u a li n s t r u m e n t t h e n , t h es e c o n dc h a p t e ri sb o u tt h eu s b s y s t e m s i t st h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h en e x tp a r t s t h em o s ti m p o r t a n tc h a p t e r so f t h i sp a p e ra r ef o l l o w i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i t sa b o u tt h ei n t e r f a c e s b e t w e e nd i f f e r e n tc h i p s ，t h ef i r r n w a r es o f t w a r e ，d r i v e rs o f t w a r e ，a n dt h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r ew r i t t e nb yl a b v i e w i nt h el a s tc h a p t e r ，t h e r ea r er e s u l to ft h ed e t e c t i n g s h a p r i os t e p sa n dt h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：u s b 2 0d a t aa c q u i s i t i o nv i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e w i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外：本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年- 月日 论文类别 博士口 学历硕士口 硕士专业学位口高校教师口 同等学力硕士口 院系所 专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 约瑟夫森元件可应用于一些精密测量。如作用电压标准、磁强计、伏特计、 安培计、低温温度计、计算机元件，以及毫米波、亚毫米波的发射源、混频器和 探测器等，且有灵敏度高、噪声低、功耗小和响应速度快等一系列优点。现今 已发展起以建立极灵敏的电子测量装置为目标的“超导结电子学”，与超导磁体 一起成为超导电性的两项重大应用。 约瑟夫森元件性能的测量，需要在低温低噪低频段进行信号的采集取样， 并转换为数字信号进行记录。从而分析得到元件性能指标。 常见的基于p c i 或者i s a 的数据采集系统，安装麻烦，价格相对较贵且受 计算机插槽数量，地址，中断等资源限制，可扩展性差。这类数据采集系统在 电磁干扰对测试结果影响较大的情况下，由于无法对其专门做电磁屏蔽，很容 易导致所采集的数据失真。由于上述缺点，本文设计一款基于通用串行总线接 口u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 数据采集系统。 通用串行总线接口u s b 是用来连接外围设备与计算机的新式标准接口总 线。该接口支持热插拔，解决了日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之 间的矛盾，且具有快速的传输性能和很强的纠错能力。能够满足科学实验对于 测试系统灵活，高效，高速，多通道等的要求并适应复杂的测试环境。 本论文主要内容是为测试约瑟夫森节性能设计基于u s b 2 0 以及l a b v i e w 的数据采集系统。文章对硬件设计，驱动程序设计及上位机程序设计进行阐述， 并在最后给出测试实验结果。 第二节约瑟夫森效应 1 9 6 2 年，英国牛津大学研究生b d 约瑟夫森1 1 从理论上对超导电子对的隧 道效应作了预言，对于超导体绝缘层一超导体互相接触的结构( 也p q s i s 结构) ， 第一章绪论 当绝缘层的厚度只有几十埃时，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒形成 电流，而隧道结两端没有电压，即绝缘层也成了超导体。此时发生的量子力学隧道 效应称为“约瑟夫森效应”。 1 2 1 约瑟夫森方程 当两块超导体中间存在足够簿的绝缘层( 势垒) 时，就可以构成一个约瑟 夫森隧道结。约瑟夫森于1 9 6 5 年归纳总结出来的约瑟夫森方程组，它完全决定 了约瑟夫森结的电动力学性质，可以用来分析约瑟夫森结的特性，解释实验现 象。 1 9 6 2 年，b d j o s e p h s o n 研究了如图3 所示的两超导体被一薄层势垒分开的 情况。图1 中，t 为势垒区厚度，九1 和地分别为两侧超导体的l o n d o n 穿透深度， 总电压为v 。 图1 1 超导隧遭结不恿图 约瑟夫森预言了超导电子对隧道效应的存在，并于1 9 6 5 年归纳出著名的约 瑟大森方程组： = j 。s i n 缈 ( 1 1 ) 一d ( a ：丝v ( 1 2 )。 甜壳 v 伊= 警每五) ( 1 3 ) v 2 缈专軎幸s m 缈 4 ) 2 第章绪论 其中，q 是势垒两侧超导体宏观量子波函数的位相差，j 为结上的电流密度， j c 为最大电流密度，即j o s e p h s o n 结的临界电流密度。厅为结所处的外界磁场， 亓为由超导体s 2 指向s 1 的单位矢量。场在势垒区附近的有效穿透深度， ，= + 五+ 7 ( 1 5 ) 式中九l 、x 2 分别为势垒两侧超导体的伦敦穿透深度，t 为势垒厚度。万为结 中电磁波传播速度， 两( 剖= c 6 ) x j 为约瑟夫森穿透深度 乃( 器 7 ) 乃给出了结中相位差平，也就相当于结中电流密度j 的空间分布不均匀性的 量度标准。当结区尺寸远小于u 时，结中电流分布是均匀的，称为“小结”；反 之，结区尺寸远大于u 时，电流密度集中在结的边缘，分布极其不均匀，称为 “大结”。约瑟夫森穿透深度u 总是远远大于伦敦穿透深度。 1 2 2 直流约瑟夫森效应 当直流电流通过超导隧道结时，只要电流值低于某一临界电流i c ，则与一 块超导体相似，结上不存在任何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临 界电流值，结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。 这种超导隧道结能够承载直流超导电流的现象，称为直流约瑟夫森效应。 直流约瑟夫森效应可以阐述为：当流过约瑟夫森结的直流电流小于它的临 界电流i c 时，约瑟夫森结的两端电压可以为零。这点和单电子隧道效应( 有电 流就有电压) 不同。 当v = o 时，平为常数( ( p 0 ) ，再由 ，= ls i n 缈 ( 1 8 ) 得n - 3 第。章绪论 i o = i 。s i n 矽。 式中i o 即是零电压直流电流，这就解释了直流约瑟夫森效应。 ( 1 9 ) 1 2 3 约瑟夫森交流效应 如果在超导结的结区两端加上固定的直流电压v ( 当然，这时电流大于临界 电流) ， 可以得到此时流过约瑟夫森结的电流为： ，= ls i n ( 竿f + ) = ts i n ( 2 n f a f + 仇) 以 ( 1 1 0 ) 在结区就出现的高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的电压成正比， 有如下关系式 意= 2 e 矿或v 一2 角# v ( 1 1 1 ) 比例常数2 e h = 4 8 3 6 1 0 6 h z uv 。这时，结区以同样的频率( 若所加电压 是几微伏，则在微波区域；若为几毫伏，则在远红外波段) 向外辐射电磁波。 超导隧道结这种能在直流电压作用下，产生超导交流电流，从而能辐射电磁波 的特性，称为交流约瑟夫森效应。 1 2 4s h a p i r o 台阶 如果用频率为移的微波辐照约瑟夫森结，当刀移22 e v 托h ( 刀20 ，1 ，2 ，) 时， 外加微波和结辐射的电磁波发生共振，则在i v 特性上可以测到恒压电流，随着n _ 0 ，l ，2 ，在i v 特性上出现阶梯效应，如下图4 s n s n o x s n 结的直流常电压电流 阶梯所示。【2 】 4 第一章绪论 t 基 v 疆 重 电选( p v ， 图1 2s n s n o x - s n 结的直流常电压电流阶梯 如果在约瑟夫森结两端同时施加直流电压和交变电压( v = v o + v r c o s o d t ) ， 超导电流中存在直流分量。这个结果反应在受微波场辐照的约瑟夫森结的i v 特 性曲线上出现台阶结构。它首次由s h a p i r o 观测到，因此称为s h a p i r o 台阶，也 可以称为微波感应台阶。s h a p i r o 台阶有重要的应用价值，可以用来精确测定2 e h 的值，可以用于微波辐照的检测，还可以用于制作电压标准。 鼍 ： 垂 与 o v o l t a g e 图1 3s h a p i r o 台阶 除s h a p i r o 台阶外也有一种类似的台阶，自感应台阶，这类台阶在没有微波 辐照的前提条件下，由于s i s 两端加电压，产生电磁场，从而影响约瑟夫森结 产生台阶，又称菲克斯台阶。自感应台阶并不是每个结都会产生。 5 第一章绪论 1 2 5 约瑟夫森结的等效电路模型( s t e w a r t m c c u m b e r 模型) 对置于电路中的约瑟夫森结，用其等效电参量来描述其物理特性较为方便。 一个约瑟夫森结型器件可以视为一个理想的约瑟夫森结与结电阻r 和结电容c 并 联，当结电容c 不可忽略时，其等效电路如图6 所示，这就是常用的 s t e w a r t m c c u m b e r 模型【3 】 4 1f 5 j 。也常称为r c s j ( 电阻电容并联约瑟夫森结) 模 型。当结电容c 可以忽略时，模型可以简化，称为r s j 模型( 电阻并联约瑟夫森 结模型) 。 c 图1 4s t e w a r t - m c c u m b e r 模型不意图 在恒流源情况下，该等效电路中流过结的总电流为 i = id + in 七is 其中 ? r = 幽= 土尘燮 ” 尺2 出功 为流过并联电阻r 的正常态电流， 仁c 警= 等争 为流过结电容c 的位移电流， ls = i c - s i n o 为流过结的超导电流。可得到 m = 等窘+ 刍鲁蝴m 缈 采用归一化参量，一e 式可写成 6 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 第一章绪论 其中 如) _ p c d 盯2 - - 笙矽+ 万d g o + s i i l 缈 屈= 警 称作m c c u m b e r 参量或约瑟夫森结电容参量。 鼍 ： 墨 皇 o v o l t a g e m 图i 5 不同m c c u m b e r 参数约瑟夫森结的i v 特性曲线 鼍 ： 墨 j k - - 0 v o l t a g e m v 图1 6m c c u m b e r 参数为1 5 的约瑟夫森结具有跳变和洄滞的i v 特性曲线，箭头表示电压 跳变的方向 7 第。章绪论 第三节数据采集技术介绍 数据采集，是利用某种设备从系统外部采集数据并输入到系统内部的某接 口。该技术被广泛采用于各个领域。如摄像头，麦克风都是一种常用于日常生 活的数据采集设备。被采集的数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度， 水位，风速，压力等，其形式可以是模拟量，也可以是数字量。 数据采集过程的第一步是将连续变换的模拟线号在时域上离散化，也就是 采样。采样过程中，由于对连续信号采样会出现频率混叠的问题，从而会导致 得到的信号失真。第二步是将得到的时间离散，幅值连续的信号转变为时间幅 度上均为离散的数字信号，即量化。量化，将引入量化噪声，当信噪比过小时， 无法从量化后的信号内恢复原始信号。 1 3 1 数据采集系统的基本构成 数据采集是模拟信号经过低通滤波后，经由多路模拟通道进入程控放大器 后送入a d 转换器进行模数转换。转换后的结果进入f i f o 送给e z _ u s bf x 芯片，最后经过u s b 接口传输给上位机进行显示处理。 据此，我们可以画出数据采集系统的基本构成图如下： 图1 7 数据采集系统构成图 1 3 1 1 信号调节 信号调节包括模拟信号的放大，滤波，阻抗变换等，使得输入模拟信号适 合于模数变换。一般有如下几部分： 低通滤波：滤去高频噪声，提高信噪比 程控放大器：扩大数据采集系统的动态范围 信号变换：阻抗变换，电流一电压变换等 8 第一章绪论 1 3 1 2 多路切换 多路切换的主要作用是提高模数转换电路的效率。当多路信号同时输入时， 模数转换器分时复用，从而实现对多路模拟信号的处理。一般的，对信号变化 慢，数据高精度系统，模拟多路切换可用继电器实现，而信号变化快，数据精 度又无特殊要求的应用系统，采取模拟电子开关来切换较合适。 1 3 1 3 采样保持 对模拟信号采样并进行转换的过程中，为了保证输入信号在采样时刻暂时 稳定，在电路中加入保持电路。现常用的a d 转换芯片，都集成有该电路。无 需单独设计 1 3 1 4 模拟数字转换 模拟数字转换器( a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ) 简称a d c ，是数据采集系统 的核心电路，采集速度，转换精度等关键技术指标取决于此。本论文中所采用 的是与主控单片机集成在一起的a d c 模块。 1 3 2 数据采集过程 模拟信号厂( r ) 通过开关k ，k 只在特定时刻瞬时导通( 仁t ，2 t , 3 t , ) 这样开关输出端得到的采样信号彳( ，) ，刀( ，) ，。若k 按周期闭合，即等周期 采样，则，采样信号厂( r ) 为一脉冲序列f ( t ) ，f ( 2 r ) ，f o r ) ，其中t 为采样周 期。当开关k 导通时间与采样周期相比可以忽略小计时，采样信号厂( f ) 可看成 是模拟信号厂( f ) 对开关k 产生的理想脉冲序列进行幅度调制的结果。 1 3 3 采样定理 从采样信号中厂( f ) ，要无失真的恢复原始信号f ( t ) ，则采样频率z 必需 满足以下条件： 限带为厶的信号厂( ，) ，若以z 2 厶进行均匀抽样，则可与失真的恢复原 信号厂( f ) 。这就是奈奎斯定理( n y q u i s t ) 。 6 1 理论上，采样频率为被采信号中最高频率的2 倍时就不会发生混叠，但是， 实际应用中为了更好的还原波形，选用更高的倍数，一般为5 1 0 倍。另外为 了提高频谱分析的分辨率，根据频率分辨率a f = z n ，在确定的采样频率下， 增加采样长度n 。 9 第一章绪论 高的采样率系统开销大，因此，需根据实际情况选择合适的采样频率z 及 采样点数n 。 1 3 4 测量系统 一般的，有两种不同的测量系统：差分测量系统( d i f f e r e n t i a l ，d i f f ) 和单 端测量系统( s i g n l e e n d e d ，s e ) 。 1 3 4 1 差分测量系统 差分测试系统中，信号的正负极分别接入两个通道，且有各自的参考值。 这是一种较为理想的的测试系统，不仅能抑制接地回感应误差，而且能在一定 程度上抑制环境噪声。理想的差分测量系统只读取两极信号的势差，不会受共 模电压的影响。但是，差分测试系统所要求的端口数是单端测量的两倍。 一般的，当被采样信号电平偏低时或者噪声比较大或者有一个输入信号要 求单独的参考点时选择差分测试的方法来对信号进行测量。 1 3 4 2 单端测量系统 单端测试系统所有信号所有信号都参考一个公共的参考值也即是设备放大 器的负极。 若信号满足一下条件，则一般选取单端测量系统：信号电平比较高，通常 大于l v ；环境噪声较小：所有信号可共享一个公共参考值。 第四节虚拟仪器技术 1 4 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，简称v i ，是用户在通用计算机平台上， 根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台仪器室，就像在 操作自己的计算机一样。【7 】【8 1 虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义， 用户无法改变其工作模式的缺点，使用户可以按需求设计自己的的仪器。 虚拟仪器的出现，使得测试系统中，软件来代替硬件，充分利用计算机技 术来实现和扩展传统测试系统和仪器的功能。可以用“软件就是仪器”来对虚 拟仪器技术进行最简单的概括。 1 0 第一章绪论 表1 1 虚拟仪器与传统仪器区别 虚拟仪器 传统仪器 软件构成硬件构成 开发，维护费用低开发，维护费用高 技术更新周期短，费用低 技术更新周期长，费用高 用户按需自定义功能功能厂家设定，固定 系统开放，灵活系统封闭，固定 与其他设备相连容易不易与其他设备相连 1 4 2 虚拟仪器系统的构成 从构成要素上看，虚拟仪器系统是由计算机，应用软件和仪器硬件三大要 素构成的，计算机与仪器硬件又称为v i 的通用仪器平台。从构成方式上，由以 d a q 板和信号调理组成的p c - d a q 测试系统，或者以g p i b ，v x i ，f i e l db u s 等标 准总线仪器组成的g p i b 系统，v i x 系统，串口和现场总线等多种形式。 图1 8 虚拟仪器系统构成图 1 4 3 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器软件组成有两部分：应用程序和i o 接口仪器驱动程序。其中应用 程序包含两方面内容：一部分是实现虚拟面板功能和定义测试功能流程图软件 程序。另一部分是i o 接口仪器驱动程序实现特定外部硬件设备的扩展，驱动和 第一章绪论 通信。 虚拟仪器软件开发工具有如下两类： ( 1 ) 文本式编程语言：如v i s u a lc 十+ ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等 ( 2 ) 图形化编程语言：如l a b v i e w ，h p v e e 等 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了方便的条件和良好 的开发环境。本论文中采用l a b v i e w 设计虚拟仪器。 本章小结 本文意在针对约瑟夫森结的特点设计一款经济实用的数据采集设备，所以 全文第一部分先对约瑟夫森效应以及s h a p r i o 台阶相关知识进行探讨。接下来对 本文中需要用到得数据采集系统的构成，数据采样原理以及虚拟仪器技术进行 了简单的介绍，为后续内容奠定理论基础。 1 2 第二章u s b 体系结构 第二章u s b 体系结构 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，通用串行总线。是一种电缆总线，支持在主机和 各种即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分 享u s b 带宽。当其他设备和主机在运行时，总线允许添加，设置，使用及拆除 设备。本论文所讨论的数据采集系统是基于u s b 2 0 接口。本章主要介绍u s b 相关协议，是下文的理论基础。 第一节u s b 基本机构与特性 2 1 1u s b 的总线结构 u s b 的总线结构是采用阶梯式星型( t i e r e ds t a r ) 拓扑结构。每个星型的中 心是集线器，星的端部连接一设备，该设备可以是另一个集线器或者外围设备。 每个星型排列端数目可不同。在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机 系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬件，固件和软件综合实现。 u s b 若干集线器可串联，构成自上而下的层级，总共可连接1 2 7 个外设( 或 集线器) 。同一总线上的所有设备，共享连接到主机( 计算机) 的数据通路。不过 在同一时刻，只能有一个设备与主机通信。 9 1 1 3 第二章u s b 体系结构 图2 1u s b 总线的阶梯式星型结构 当u s b 2 0 与u s b l 1 的设备与集线器混合使用时，整个总线上夹杂着高速 全速设备与集线器，此时只有在u s b 2 0 集线器与u s b 2 0 设备的连接下，才具 被高速总线宽带的特性。 2 1 2u s b 基本架构和总线架构 一般u s b 系统的基本架构可分为三部分1 0 】 u s b 主机控制器根集线器 u s b 集线器 u s b 外设 2 1 2 1u s b 主机控制器根集线器 所有在u s b 系统上的沟通都是在软件控制下由p c 主机激活的。物理层上 来看，主机硬件包括u s b 主机控制器和u s b 根集线器。从开发人员角度来看， 可被分为客户软件，u s b 系统软件和u s b 总线接口三种功能模块。 1 4 第二章u s b 体系结构 2 1 2 2u s b 集线器 仅靠u s b 根集线器不能完全连上1 2 7 个外围设备，所以除了u s b 根集线器 外，系统还支持额外的集线器。这些集线器主要功能是提供接口用于用户串接 设备。在u s b 2 0 中根集线器除了负责提供状态，控制机制，中继功能外还提供 事务翻译功能。 2 1 2 3u s b 夕b 设 u s b 外设是功能性器件，为系统提供具体功能，如i s d n 连接，扬声器等。 依照u s b 产品规范可将外设分为全速设备，低速设备和高速设备三种。所 支持的最高速率分别为1 2m b p s ，1 5m b p s 和4 8 0m b p s 外设由三个功能模块组成：u s b 总线接口，u s b 逻辑设备，功能单元。其 中u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s i e ) ；u s b 逻辑设备可被看 做一个端点的集合；功能单元可被看做接口的集合。 为了描述u s b 设备的特性，引入了设备构架的概念。如图所示，设备构架 认为u s b 设备是有一些配置，接口和端点组成。配置和接口是对u s b 设备功能 的抽象，实际数据传输是由端点来完成的。 图2 2u s b 设备构架 2 1 3u s b 系统分层 对开发人员而言，u s b 设备到主机的连接可分为三个逻辑层：功能层，u s b 设备层，u s b 总线接口层。每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成。这 1 5 第二章u s b 体系结构 种分层结构简化了u s b 通信机制。【1 1 】 i 主机 少 客户软件 ( 管理一个 接口) 互连 i 缓冲区，| 、，l 、无u s b 格式i一组管道 l 、l ，、i ， l i u s b 系统软件 ( 管理设备) 缺省型制管道o i i i i 上吣b 设备 接口x 功能单元 ( 接口集合) 端点0u s b 逻辑设备 ( 端点集合) u s b 总线接口 同 管道 $ 逻辑数据传输 实际数据传输 图2 3u s b 系统的详细描述 2 1 3 1u s b 功能层 功能层负责实现u s b 设备的特定功能，如文档打印等。该层只需知道应传 输哪些数据而不知道传输机制。由主机的客户软件和设备的功能单元组成。 2 1 3 2u s b 设备层 该层实现主机和u s b 设备间的配置通信，如为u s b 设备分配地址，读取配 置描述符等。该层包含u s b 通信机制和功能层所要求的传输特性，由主机的u s b 系统软件和设备的u s b 逻辑设备组成。 1 6 j 第二章u s b 体系结构 2 1 3 3u s b 总线接口层 总线接口层实现了主机和u s b 设备间数据的实际传输，由主机的u s b 主控 器( 包括根集线器) 和设备的u s b 总线接口两部分。 为了保证接收到的数据的完整性和正确性，u s b 采用n r z i 编码的差分信 号。u s b 主控器和设备s i e 负责对数据进行n r z i 编码 2 1 4u s b 数据流的模式和管道的概念 虽然u s b 系统的的总线是呈阶梯式星型，但实际上u s b 主机与外设之间的 连接方式却是如图所示的一对一的形式。用户称之为u s b 设备的逻辑连接。而 数据流的模式则是以这些逻辑连接为基本的构架。 图2 4u s b 设备的逻辑连接 u s b 的通信，可看作是一种虚拟管道。在整个u s b 的通信中包含了一个大 的虚拟管道( 1 2 m b p s ) 以及多达1 2 7 个的小虚拟管道。每一个小的虚拟管道可 比拟为u s b 的设备。由于在u s b 令牌包中含有7 位用来寻址的位，所以可以最 多可寻址到1 2 8 个设备。其中地址0 为预设地址。 2 1 4 1 端点 在u s b 规范中，设备端点被定义为“u s b 设备中的唯一可寻址部分，是主 机与设备之间通信流的来源或者去向。 所有的传输都是传送到设备端点或者 是从设备端点出发的。这种端点其实质是一个能储存多字节的缓存器，通常， 是数据存储器区中的一块或是控制器芯片中的一个寄存器。 u s b 系统中，每一个端点都由唯一的地址，这是设备地址和端点号给出的。 端点的特性主要有数据传输方式，总线访问频率，带宽，端点号和数据报最大容 量等。 1 7 第二章u s b 体系结构 2 1 4 2 管道 管道，是一种逻辑上的概念，是指主机和设备之间的连接。代表主机和设 备端点之间数据传输的能力。有如下两种模式 流管道：该管道中传输的数据不具有u s b 定义的结构，通常是单向的，可 用作块传输，同步传输和中断传输。 消息管道：一般用作控制传输，双向。其间传输的数据具有u s b 定义的结 构。 此外还有一种特殊的管道，控制管道。其本质是消息管道的一种，是为了 与端点0 的特殊性相匹配。 第二节u s b 通信协议 u s b 总线上执行的通信协议的基本单位是最下层的数据域，几个数据域组 合成一个数据包，若干数据包组成“事务。对于高速设备而言，在lm s 的帧内 可能包含各个设备所提出的“事务”。总线上，数据发送顺序是一个字节的位从 低往高发送。 i r p _ l ( 驱动程序1 ) 事务 1 0 事务 1 1 警慝丌甄 i1 0i2 0 事务 1 2 訾障丌霸 i1 li2 l 令牌包 i 数据包i 握手包 5 个数据域1 4 个数据域1 2 个数据域 i r p _ 2 ( 驱动程序2 ) 事务 2 0 事务 2 1 事务 2 2 事务 2 3 事务 2 4 令牌包i 数据包l 握手包 5 4 数据域1 4 - t 数据域1 2 个数据域 图2 5u s b 总线的信号格式 1 8 第二章u s b 体系结构 2 2 1u s b 数据域 u s b 接口是以令牌封包为主的总线协议，主机掌握这主控权。在u s b 通信 协议中，除了令牌封包外还有数据封包，握手封包及特殊封包。不同的封包类 型含有不同数量与类型的数据域 2 2 1 1 同步序列( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ，s y n c ) 数据域 s y n c 字段由8 位组成，作为数据封包放入前导，用于产生同步。其数值固 定为0 0 0 0 0 0 0 1 2 2 1 2 封包标识符( p a c k e ti d e n t i f i e r , p i d ) 数据域 p i d 字段紧随在s y n c 字段后面，用于指明该信息包的类型，格式和所采 用的差错控制机制。由4 位类型字段( p i d o _ _ p i d 3 ) 和4 位校验字段( p i d 4 一 p i d 7 ) 组成。其中校验字段是类型字段的二进制补码，用于保证p i d 字段的可 靠性。按照从p i d o 到p i d 7 的顺序传输。主机和u s b 外设都要对p i d 字段进行 检查。如校验字段错误，则认为该数据包已被破坏。 表2 1 数据封包类型与格式 封包类型p i d 名称p i d 3 ，p i d 2p i d l ，p i d o 令牌 o u t 0 00 l 令牌i n1 00 l 令牌 s e t u p110 l s o f s o fo l 0 l 数据 d a i a 00 0l l 数据 d a t al1 0l l 握手a c k0 01 0 握手n a k1 01 0 握手 s 1 1 a l l1 11 0 特殊 p r al l 0 0 2 2 1 3 地址( a d d r e s s ，a d d r ) 数据域 a d d r 数据域由7 位组成，可以用于1 2 7 个设备寻址。u s b 设备上电和复 位时，用缺省地址o 来与主机通信，主机通过设备配置，为其分配唯一设备地 址。 1 9 第二章u s b 体系结构 2 2 1 4 端点( e n d p o i n t ，e d n p ) 数据域 端点数据域用于指定u s b 设备中的一个端点。全速高速设备最多可以有1 6 个端点，低速设备最多能有3 个端点。所有u s b 设备都由一个o 号控制端点， 以完成与主机间的配置通信。 2 2 1 5 循环冗余校验( c y c l er e d u n a n c yc h e c k s ，c r c ) 数据域 为了保证数据传输的可靠性，u s b 在令牌包和数据包中都使用了c r c ，它 可以识别出信息包中的一位或者两位错误。不同的封包类型，c r c 数据域位数 不同，令牌包和数据包分别是5 位和1 6 位。 2 2 1 6 数据( d a t a ) 栏 数据栏包含主机和u s b 设备间需要传输的数据，以字节为单位，最大长度 位1 0 2 4 字节。 2 2 1 7 帧号码( f r a m en u m b e r ) 数据域 帧号码数据域仅存于s o f 封包内，由1 1 位组成，用于指出当前帧的帧号。 2 2 2 封包格式 2 2 2 1 起始( s o f ) 封包 s o f 由主机以每1 0 0 m s 一次的速率进行发送。s o f 分组包含8 b i t 用于指示 封包类型的p i d ，ll b i t 的帧标识号域和5 b i t 循环冗余校验c r c 。 s o f 令牌由仅对令牌进行处理的操作组成，在依据每一帧的开始而精确定 时的时间间隔内分配一个帧开始标记和帧标号。所有全速设备，都必须对s o f 封包进行接收和解码。 2 2 2 2 令牌封包 u s b 系统，只有主机才能发出令牌包。令牌包定义了数据传输的类型，是 事务处理的第一阶段。u s b 包括7 种令牌包：i n ，o u t , s e t u es o f , p r e ，s p l i t , p i n g 。其中p r e ，s p l i t , p i n g 属于专用数据包。 一个令牌封包包括5 个数据域s y n c ，p i d ，a d d r , e n d p 和c r c 。 第二章u s b 体系结构 2 2 2 3 数据封包 数据封包由p i d ，数据字段和1 6 位c r c 组成。低速设备数据字段最大长度 位8 字节，全速设备1 0 2 3 字节，高速设备1 0 3 4 字节。 根据p i d 不同，数据封包可分为4 种类型：d a t a 0 ，d a t a l ，d a t a 2 ，m d a t a 。 d a t a 0 和d a t a l 支持数据触发机制；s p l i t 事务处理需要使用d a t a 0 ，d a t a l 和m d a r a ；高速同步传输需要使用全部四种类型。 2 2 2 4 握手封包 握手封包是最简单的封包类型，仅包含一个8 位p i d 数据域。 握手封包用于报告事务处理的状态，以表明数据接收成功，指定的端点被 停用，不能响应命令等情况。只有支持流量控制的事务处理才使用握手封包。 若握手封包在p i d 之后没有e o p 信号终止，则接收方会认为该包无效，将其忽 略。 2 2 3u s b 数据传输类型 u s b 通过通道在主缓冲区与设备端点间传输数据。在消息通道中传输的数据 必须打包且符合u s b 定义的格式。数据解释工作由客户软件和应用层软件负责。 为了满足客户软件和应用软件的要求，u s b 定义了4 种传输类型。【1 2 】 2 2 3 1 控制传输 通常用于命令事务和状态事务。是一种可靠地，非周期的，由主机软件发 起的请求或回应的传输。 控制传输又包含了三种形态，分别是：控制读取，控制写入以及无数据控 制。每种形态又可以进一步分为三层：设置层，数据层( 无数据控制没有此层) 和状态层。 2 2 3 2 同步传输 同步传输又叫等时传输，一般用于传输与时间相关的数据，是一种周期性 的，连续通信。此类传输保留了将时间概念包含于数据中的能力。即传输的时 间是最重要的请求信息 同步传输传送的是一种数据流，是实时的传输，可以单向或是双向的。但 必要时需牺牲正确率来维持一定的传输速度。它与主机协定好固定带宽。 2 l 第二章u s b 体系结构 2 2 3 3 中断传输 中断传输可以使用低速，高速，全速三种传输速率。中断传输的信息包在 全速方式时为1 - 6 4 字节，高速是可达1 0 2 4 字节。是一种小规模数据的，低速 的，固定延迟的传输。并不是所有的外设都支持此类传输。 传输的数据必须都是i n 或者o u t 。若数据是两个方向的，则必须针对不同 方向设置两个管线。 2 2 3 4 批传输 批传输一般用于传输可利用任何带宽，再有没有可用带宽时，可容忍等待 的数据。是一种非周期性的突发的，大包的，可靠的传输。在全速方式时，以8 ， 1 6 ，3 2 ，6 4 字节信息包传输；高速方式时以5 1 2 字节信息包传输。这类传输有 c r c 检错纠错机制。 与中断传输相同，批传输也是单向的。当所要传输的数据量已经传输完毕 或数据封包的内含数据大小小于所设计的最大量时，传输数据会包含一个0 长 度的封包，以结束批量传输。 本章小结 本文选取u s b 作为数据采集卡与p c 机的接口。u s b 是一种新的接口技术， 具有支持设备即插即用，具有热插拔功能，并且在使用u s b 2 0 标准时数据传输 速率最快可达4 8 0 m b p s 。基于u s b 的数据采集卡扩展性好，可移植性好且传送 速率快。 本章从u s b 阶梯式星型拓扑结构入手，介绍了u s b 体系的基本架构和总线 架构并对u s b 体系的分层进行探讨。对数据流的模式及管道的概念进行描述。 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包 后在总线上进行传输的。本章的第二部分从数据域，封包格式等方面对u s b 通 信协议进行分析。 第j 章基于u s b 2 0 数据采集卡系统硬件设计 第三章基于u s b 2 0 数据采集卡系统硬件设计 第一节系统指标与系统硬件总框图 3 1 1 模拟信号指标 3 1 1 1 模拟信号采集( a d c ) 输入电压范围：2 5 v - 2 5 v 通道：最多可支持4 路差分或8 路单端 a d c 分辨率：1 2 位 a d c 采样率：最大1 0 0 k h z ，可设置 a d c 增益：0 5 一1 6 a d c 实测精度：1 路差分输入，无增益，+ 输入均接地：最大噪声辐值 小于4 m