（机械电子工程专业论文）基于usb和dsp的超声检测仪的设计.pdf

丛堡望二!：叁堂堡堂竺堡苎一 摘要 超声检测是常规无损检测方法之一，本文所研制的超声检测仪器是在国内已 经研制成功的超声检测仪器的基础之上，进一步研制基于高速串行总线( u s b ) 和 数字信号处理器( d s p ) 的超声检测仪器，是国内超声检测仪器的换代产品。 u s b 作为一种新兴的计算机外设总线标准，从标准的出现到大规模的应用， 仅用了短短几年的时间，这一切都得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统 造价低廉等优点。u s b 接口方便于笔记本式计算机与外围设备相连同时通信速度 快，所以选用u s b 接口作为笔记本式计算机与仪器数据采集板的通信接口。本文 的超声检测仪器是基于u s b 2 0 协议，u s b 2 0 协议最大传输速率为4 8 0 m b p s 。d s p 芯片是具有特殊结构的微处理器，专门为快速实现各种数字信号处理算法而设 计，d s p 作为仪器数据采集板核心处理器，可以和( j s b 芯片实现高速数据交互， 因此满足了超声检测中多点采集所带来的大批量数据处理和传输的需求，保证了 系统的实时性。 本文重点阐述了u s b 接口主机端和设备端软件、f i r 滤波器以及i ) s p 与u s b 无缝连接的设计。在电路设计中本文提出了模块化的设计方法，并重点叙述了 d s p 模块、u s b 接口模块和可编程逻辑器件模块的设计方法。其中又对可编程逻 辑器件的开发、利用硬件描述语言v e r i l o g 进行硬件电路设计做了专门的介绍。 本文利用c p l d 实现u s b 芯片与d s p 芯片及a d 转换器与存储器的接口，提高了系 统的集成度和稳定性。在软件部分的设计中主要讨论u s b 设备端固件设计、d s p 软件设计、w i n d o w s 下u s b 接口驱动程序设计。在u s b 设备端设计中采用了s l a v e f i f o 接口与d s p 通信，u s b 接口为d s p 与p c 之间的高速“桥”，使d s p 能高速 通过u s b 接口与p c 通信，而不需要u s b 设备端固件干预，从而u s b 2 0 接口传输 带宽得到充分发挥。d s p 软件设计中介绍了t ic 5 4 x 系列d s p 的开发工具及开发 过程，并探讨了f i r 数字滤波在超声信号处理方面的应用。最后介绍了u s b 的 w d m 设备驱动程序模型，并详细探讨w 晰模型下超声检测仪的u s b 驱动程序各个 模块的设计。 本文研究了u s b 接口和数字信号处理器在超声检测仪器中的应用，建立了高 速信号采集和传输接口，使仪器的实时性提高，并给出了接口测试结果和超声检 测仪器的改进方向。 关键字：u s b ， i ) s p ，超声检测仪器， 实时超声检测 垫堡堡：1 查里堕兰堡堡塞 a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gi so n eo fr e g u l a rm e t h o di nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h i sp a p e r p u tf o r w a r dap r o j e c td e v e l o p e do nt h eb a s eo fd o m e s t i cu l t r a s o n i cd e t e c t o r i nt h i s n e wu l t r a s o n i cd e t e c t o ru s b m n i v e r s a ls e r i e sb u s ) i st h ec o m m u n i c a t i o n sb u sb e t w e e n t h en o t e b o o kc o m p u t e ra n dt h eb o a r do fd a t aa c q u i s i t i o n ，d s pi st h ec e n t e rp r o c e s s o r o ft h eb o a r d u s bi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n td e v e l o p m e n t s i np cp e r i l ：i h e r a li n t e r f a c e t e c h n o l o g ys i n c et h ei n t r o d u c t i o no fs e r i a la n dp a r a l l e lp o r t si nt h ee a r l y1 9 8 0 、s t h e b e n e f i t so fu s b ，s u c ha se a s eo fu s e ，t r u ep l u ga n dp l a y ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n d r e d u c e do v e r a l ls y s t e mc o s t ，a r ej u s taf e wo ft h er e a s o n st h i st e c h n o l o g yh a sg o n e f r o ms p e c i f i c a t i o nt op r o d u c td e v e l o p m e n ti nl e s st h a n3y e a r s n o t e b o o k c o m p u t e ri s c o n v e n i e n tt oi n t e r c o n n e c tw i t hd e v i c et h r o u g hu s ba n dt h ec o m m u n i c a t i o nr a t ei s f a s t s ow es e l e c tu s ba st h ei n t e r f a c eb e t w e e nn o t e b o o k c o m p u t e ra n d d a t a a c q u i s i t i o n b o a r do fd e t e c t o r t h eu l t r a s o n i cd e t e c t o ri sb a s e do nu s b 2 0 t h e m a x i m u mc o m m u n i c a t i o nr a t ei s 4 8 0 m b p si nu s b 2 0p r o t o c 0 1 d s p ，t h i sk i n do f p r o c e s s o rh a v i n gas p e c i a la r c h i t e c t u r ef o rs o m ea r i t h m e t i c ，h e l p su st op r o c e s ss o m e d i g j t a ls i g n a l s d s pi st h ec e n t e rp r o c e s s o ro ft h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，w h i c hc a l l c o m m u n i c a t i o nw i t hu s bi n t e r f a c e c h i pf a s t i nm yd e s i g nd s pc a ns a t i s f y d a t a p r o c e s sa n dt r a n s m i s s i o no fm u l t i s p o t sd a t aa c q u i s i t i o n d s pe n h a n c e st h es y s t e m r e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h ep a p e rh a se x p a t i a t eo nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fu s b i n t e r f a c e ， f i rf i l t e rd e s i g n ，t h ei n t e r c o n n e c tb e t w e e nt h e c h i po fu s b a n dd s p t h i s p a p e rb r i n g f o r w a r dm o d u l em e t h o di nh a r d w a r ed e s i g n ，a n ds p e c i f y e s p e c i a l l yt h ed e s i g nm e t h o d o fd s p ，u s bi n t e r f a c e ，p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c em o d u l ea n d s oo ni nt h eh a r d w a r e d e s i g n a m o n gt h e mt h i sp a p e rh a v es p e c i a li n t r o d u c t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，t h ep r o g r a m m i n go fv e r i l o g h d lo l l e o ft h em o s t p o p u l a rh a r d w a r ed e s c r i b el a n g u a g e i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e rd i s c u s sm a i n l y t h ef i r m w a r eo fu s b d e v i c e ，s o f t w a r eo fd s p , u s bd r i v e ri 1 1w i n d o w s s l a v ef i f o i st h ei n t e r f a c eb e t w e e nu s ba n dd s p ，u s bi st h e b r i d g eb e t w e e nd s pa n dp c w i t h o u tu s b f i r m w a r e ，s ow ec a nm a k eu s eo fu s b 2 0b a n d w i d t h i ic 5 4 xs e r i e s d s p d e v e l o p i n gt o o lw a si n t r o d u c e di ns o f t w a r ed e s i g no fd s p t h ea p p l i c a t i o no f f i rf i l t e ri nu l t r a s o n i cd e t e c t i n gw a sd i s c u s s e d j nt h ee n d a u t h o rd i s c u s st h eu s b d r i v e rw i t ht h ew d mm o d u l e i nt h i sp a p e ru s ba n dd s p t e c h n o l o g yw e r ea p p l i e di nu l t r a s o n i cd e t e c t o r , t h i s p a p e rs e tu ph i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ni n t e r f a c e ，h a v eg u a r a n t e e dt h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo fd a t aa c q u i s i t i o n t h ec o n c l u s i o no fi n t e r f a c es p e e da n dt h ew a yt o i m p r o v e t h ei n t e r f a c es p e e dw a sr e c e i v e d k e yw o r d s ：u s b ，d s p ，u l t r a s o n i cd e t e c t o r ，r e a l - t i m eu l t r a s o n i ct e s t i n g 武汉理t 人学硕卜学位论文 第1 章引言 1 1 超声检测仪的现状和发展趋势 众所周知，测试测量是人类认识自然，改造自然的一种手段，通过测量人们可 以对客观世界取得定量的信息。超声检测一种重要的无损检测方法，与其它常规 检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、定位准确、检测灵敏度高、 成本低、使用方便、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点。因此超声检 测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展最快的无损检测技术。超声检 测仪器因此也得到了应用和发展，超声检测仪器的性能直接影响超声检测的可靠 性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面 提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对特定信号 的定量、自动读数、自动识别、自动补偿。2 0 世纪8 0 年代，数字化、智能化超 声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新的时代，当前正向数字化、智能化、 图象化、小型化和多功能化方向发展。其中以德国k r a u t r a e m e r 公司、美国 p a n a m e t r i c s 公司、丹麦f o r c ei n s t i t u t e s 公司与美国p a c 公司的产品最具有 代表性。智能化仪器应全面、客观地反映实际情况，而且可以运用频谱分析，自 适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中定位、定量和定性 的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题，这些 问题的解决都要求获取的数据量大、采集速度快。 1 2 本文关键技术的发展和特点 最初推出通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是为了开发一种双 向的、廉价的支持中速传输的外设总线。1 9 9 4 年m i c r o s o f t 、c o m p a q 、d i g i t a l 、 i b m 、n e c 、n o r t h - t e l e c o m 、i n t e l 这些世界上著名的计算机公司和通信公司成 立了u s b 论坛，并于1 9 9 4 1 1 1 1 推出了u s b o 7 规范，于1 9 9 5 4 1 3 推出了u s b o 9 规范，于1 9 9 5 8 2 5 推出u s b o 9 9 规范，于1 9 9 6 1 1 3 推出了u s b l 0 规范，于 1 9 9 8 8 2 3 推出了u s b l 1 规范。于1 9 9 9 2 2 3 推出u s b 2 0 规范。1 9 9 7 年开始有 真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b l 1 和u s b 2 0 是目前推出的计算机外设 普遍采用的标准。 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。u s b 采用差分传输方式， 具有很好的传输可靠性；设备的控制、管理和信息交换完全是由系统软件按u s b 武汉理：r 大学硕十学位论文 协议进行传输，因此不存在设备占用资源冲突而导致系统的紊乱问题；u s b 技术 具有开放性，是非赢利的规范。而对p c 机用户来说，u s b 实现了真正的即插即 用和热插拔。目前在统一的u s b 接口上实现了中低速外设的连接，例如鼠标、键 盘、显示器、调制解调器等。u s b 2 0 通信速率达到了4 8 0 m b p s ，因此可用于更多 新型高速外设，例如数字电视接收器、数码录象机等要求高速传输的设备，但是 u s b 接口在很长一段时间内却没有在工业测量测试方面得到应用。u s b 本身就是 一种工业级总线标准，其可靠性等级可以很好地满足工业现场测量控制系统的要 求。另外，由于其所具有的外挂式特点，可容易的实现完全的光电隔离，系统的 改变和扩展都很容易和方便。特别是u s b 2 0 规范的成熟，可满足高速传输。以 前的高速数据采集多用周边元件扩展接口( p c i ) 。但是p c i 接口可移动性差， 不方便工程现场作业。因此，u s b 总线在工业测试测量方面会逐渐被应用。 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器( t i ) 公司于1 9 8 2 年推出的第一代 产品：t m s 3 2 0 1 0 。经过2 0 几年的发展，d s p 器件在高速度、可编程、小型化、 低功耗等方面都有了长足的发展，单片d s p 集成度和运算速度也不断提高，譬如： t i 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 有4 个3 2 位的d s p 、1 个3 2 位的r i s c 主处理器、一个传 输控制器、2 个视频控制器。生产d s p 器件的公司也不断壮大，比较大的生产商 有：t i 、l u c e n t 、a n a l o g d e v i e e 、m o t o r o l a 。 d s p 的应用越来越广，譬如以下几个方面： 经典算法：f f t 、f i r i i r 、相关等： 现代算法：a r 、a i b i a 、卡尔曼滤波、自适应滤波等； 仪器、仪表：医疗、数字滤波、谱分析等； d s p 可能朝以下几个方面发展： d s p 追求更高速度、更小封装和更低功耗； 技术专用化： 系统集成化； 1 3 本文研究的目的与意义 本文所研制的超声检测仪器主要是针对在目前市政工程、铁路交通、地质勘 察、水利水电、冶金矿山、石油煤炭、国防工程等检测工作，要能有效完成岩 石、混凝土等非金属试样测试；野外地质声波测试：结构混凝士的强度及缺陷 检测；岩体、混凝土等非金属介质力学参数测试；基桩的埋管法检测；岩体、混 凝土的松动圈测试等。例如：在桩基埋管法超声检测中，要求可以进行一发多收， 从而可以获取桩基的立体信息，并进行实时分析那么仪器要可以高速获取信息， 高速传输，并且具有高速信号处理能力。 垫堡些三查兰塑，! ! 兰堡笙苎 一 同时岩土检测中，工程现场大多在偏僻的地区，因此在上位机只能选用笔记 本式计算机，方便于现场移动、检测数据的实时分析和保存。仪器机体也要尽量 小型化便于移动保存。 因为上述的工作条件和要求因此仪器要满足以下要求： 工作实时性、稳定性高。 仪器与笔记本式计算机接口方便且传输速度快。 本课题的研究意义：本课题所研制的超声检测仪器以数字信号处理器( d s p ) 作为仪器的微处理和控制器，通用串行总线( u s b ) 作为笔记本式计算机与仪器的 通信接口。用d s p 作为处理器可以显著提高采集速度并可对数据进行快速信号处 理，因此提高了系统的采集端稳定性和实时性。采用u s b 2 0 协议的u s b 接口芯 片具有通信速率快、方便和笔记本式计算机接口的优点，因此为现场进行实时分 析判断提供了保证。 1 4 本文主要工作 在硬件方面，本文作者完成了u s b 接口设计、c p l d 实现u s b 与d s p 芯片接 口及a d 转换器与s r a m 接口。 在软件方面，本文作者完成了u s b 接口芯片5 1 内核的程序设计、d s p 数字 滤波程序设计、w i n d o w s 下u s b 驱动程序设计。5 1 内核的程序设计采用k e i l 开 发环境。d s p 开发采用t i 公司的c c s 软件开发系统，c p l d 的开发采用了x i l i n x 公司的i s e 5 2 i 开发系统，驱动程序的开发采用m i c r o s o f t 的d e v i c ed r i v e r k i t ( d d k ) 和v i s u mc + + 工具。 亟堡堡! 点兰堡! 兰篁堕兰一 第2 章u s b 总线和数字信号处理器 2 1 u s b 总线接口 2 1 1u s b 规范制定的目标 通用串行总线( u s b ) 架构开发的最初的目的主要基于以下三方面考虑： 计算机与电话之间的连接：显然用计算机通信将是下一代计算机基本的应 用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。然而，由于 目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而u s b 则可以广泛的连接计算 机和电话。 易用性：众所周知，个人计算机( p c ) 的改装是极不灵活的。对用户友好 的图形化接口和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突 大量减少。但以终端用户的眼光来看，p c 机的输入输出，如串行并行端口、 键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，u s b 正是在这种情 况下问世的。 端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一个 双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备( 诸如电话电传调 制解调器的适配器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接只可对极少设备进 行优化，对于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要， u s b 就应运而生。它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可 以满足p c 机发展的现在和未来的需要。 设计u s b 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广 泛的使用。该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生产 商和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场。 该规范主要面向外设开发商和系统生产商。并且提供了许多有价值的信息给 操作系统b i o s 设备驱动平台，以及各种计算机生产厂家使用。该u s b 版本的规 范可以用来设计开发新产品，改进一些经典的模型，并开发相应的软件。所有的 产品都应遵循这个规范一u s b 2 0 。u s b 的这些设计目标同时适用于仪器仪表的发 展。 2 。1 2u s b 概述 本节将对u s b 作简单描述，其中主要包括设计目标、总线特性，以及现行 技术特点。 ( 1 ) u s b 的设计目标 茎堡型王叁堂堡! ：兰笪笙兰一 u s b 的工业标准是对p c 机现有的体系结构的扩充。u s b 的设计主要遵循以下 几个准则： 易于扩充多个外围设备； 价格低廉，且支持4 8 0 m 比特率的数据传输； 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持； 协议灵活，综合了同步和异步数据传输； 兼容了不同设备的技术； 综合了不同p c 机的结构和体系特点； 提供一个标准接口，广泛按纳各种设备； 赋予p c 机新的功能，使之可以接纳许多新设备。 ( 2 ) 使用的分类 表2 1 按照数据传输率( u s b 可以达到) 进行了分类。u s b 设计的初衷是针对 桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的。软件体系通过对各种主机控制器提供 支持以保证将来对u s b 的扩充。 性能应用特性 低速：交互设备 键盘、鼠标、游戏棒 低价格、热插拔、易用 l o - 2 0 k b s性 中速：电话、音频、压缩视频分组交换机、p c低价格、易用性、动态 5 0 0 k b s 一1 0 m b sc a m e r a插拔、限定带宽和延迟 高速：音频、磁盘 音频、视频、磁盘 高带宽、限定延迟、易 2 5 5 0 0 i h b s用性 表2 1u s b 设备分类 ( 3 ) 特色 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系 统和部件及相应不同的功能，其主要特色可归结为以下几点： 终端用户的易用性： 为连接头提供了单一模型； 电气特性与用户无关； 自我检测外设，自动地进行设备驱动、设置； 动态连接，动态重置的外设。 广泛的应用性： 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几百兆比特率； 在同一线上支持同步、异步两种传输模式； 支持对多个设备的同时操作； 垫堡堡! 查兰塑! 兰堡堡兰 可同时操作1 2 7 个物理设备； 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流； 支持多功能的设备； 利用低层协议，提高了总线利用率。 同步传输带宽： 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用； - 同步工作可以利用整个总线带宽。 灵活性： 直接选择一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器大小的选择 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； 通过协议对数据流进行缓冲处理。 健壮性： 出错处理差错恢复机制在协议中使用； 对用户感觉而言，热插拔是完全实时的； 可以对有缺酾设备进行认定。 与p c 产业的一致性： 协议的易实现性和完整性； 与p c 机的即插即用的体系结构的一致； 对现存操作系统接口的良好衔接。 2 1 3u s b 体系结构 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的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，当其它设备和主机在 运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 ( 1 ) u s b 系统的描述 一个u s b 系统的主要被定义为三个部分： u s b 的互连； u s b 的设备( d e v i c e ) ； u s b 的主机( h o s t ) 。 u s b 的互连是指u s b 设备与u s b 主机之间进行连接和通信的操作，主要包括 以下几方面： 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式： 内部层次关系：根据性能叠置，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式：描述了数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方 6 武汉理t 大学颂卜学位论文 式： u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度 以支持同步数据传输，无须进行优先级判别。 ( 2 ) 总线布局技术 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功 能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2 一l 中可看出u s b 的拓扑结构。 3 t i e r 4 图2 1 总线的拓扑结构 u s b 的主机( h o s t ) 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。根集线器( r 0 0 th u b ) 是由主机系统 整合的，用以提供更多的连接点。 u s b 的设备( d e v i c e ) u s b 的设备如下所示： 网络集线器，向u s b 提供了更多的连接点： 。功能器件：为系统提供具体功能，如i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l n e t w o r k ，综合业务数字网) 的连接，数字的游戏杆或扬声器。 ( 3 ) 物理接口 电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 2 中的d + 、d - 两根线是 用于发送信号。存在三种数据传输率： u s b 的高速信号的模式( h i g hs p e e d ) 为4 8 0 m b p s ： 全速信号传送的模式( f u l ls p e e d ) 为1 2 m b d s ： 低速信号传送的模式( 1 0 ws p e e d ) 为1 5 m b d s ； 武汉理t 大学坝l 学位论文 v b u s d 十 b g n d 图2 - 2u s b 的电缆 v b u s d + d g n d 低速模式需要更少的e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，电磁干扰) 保护。三种模式可用在同一u s b 总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的 低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限个低带宽的设备 ( 如鼠标) 。时钟被调制后，与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成n r z i ( n o n r e t u r n t o z e r oi n v e r t e d 倒转不归零) 码，以保证转换的连续性，每一 数据包中附有同步信号，以使接收方可还原出原时钟信号。 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择台适的导线长度以匹配指定的 特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重 要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端1 3 都可检测终端是否连接或分离，并 区分出高速、全速或低速设备。 机械特性 所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器不可简单的互换， 这样就避免了集线器问的非法的循环往复的连接，电缆中有四根导线，连接器有 四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 ( 4 ) 电源 主要包括两方面： 电源分配：即u s b 的设备如何通过u s b 分配得到由主计算机提供的能源； 电源管理：即通过电源管理系统，u s b 的系统软件和设备如何与主机协调 工作。 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的u s b 设备提供电源供其使用。并且每个u s b 设备都可能有自己的电源。那些完全依靠 电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的设备 称作“自供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的u s b 设备提供电源。 电源管理 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 的系统软件可以与主 机的能源管理系统结合共同处理各种电源操作如挂起、唤醒等，并且有特色的是， 武汉理t 大学硕士学位论文 u s b 设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件控制其电源管理。 u s b 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用 电池的笔记本电脑。 ( 5 ) 总线协议 u s b 总线属一种轮循方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 每一次总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每 次传送开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，u s b 设备地址 和终端号的u s b 数据包，这个数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备 从解码后的数据包的适当位罱取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到 设备就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后 发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一 个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的u s b 数据传输，在主 机和设备的端口之间，可视为一个通道( p i p e ) 。存在两种类型的通道：流和消息。 流的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的结构，而且通道与数据带宽、传 送服务类型，端口特性( 如方向和缓冲区大小) 有关。多数通道在u s b 设备设置 完成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道缺省控制通道，它属于消息通道， 当设备一启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入 口。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓 冲区的高估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不 确认信号发过后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵 活的任务安排，可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同 间隔进行工作，传送不同大小的数据包。 ( 6 ) 健壮性 u s b 健壮性的特征在于： 使用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性； 在数据和控制信息上加了循环冗余码( c r c ) ： 对装卸的检测和系统级资源的设置； 对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复； 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全： 数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了负 作用。 错误检测 u s b 传输介质产生的错误率是与自然界的异常现象的概率相吻合，是瞬时 9 武汉理t 人学硕i 学位论文 一现的，因此就要在每个数据包中加入检测位来发现这些瞬时的错误，并且提供 了一系列硬件和软件设施来保证数据的正确性。 协议中对每个包中的控制和数据位都提供了循环冗余码校验，若出现了循环 冗余码的错误则被认为是该数据包已被损坏，循环冗余码可对一位或两位的错误 进行1 0 0 的修复。 错误处理 协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇报并重新 进行上一次失败的传输、传输中若遇到错误，u s b 主机控制器将重新进行传输， 最多可再进行三次。若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，客户端软件可 用一种特定的方法进行处理。 ( 7 ) 系统设置 u s b 设备可以随时的安装和折卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须 支持这种动态变化。 u s b 设备的安装 所有的u s b 设备都是通过端口接在u s b 上，网络集线器知道这些指定的u s b 设备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，u s b 设备是否被安装或拆 除了，主机将所有的集线器排成队列以取回其状态指示。在u s b 设备安装后，主 机通过设备控制通道激活该端口并以预设的地址值给u s b 设备。 主机对每个设备指定唯一的u s b 地址。并检测这种新装的u s b 设备是集线器 还是功能部件。主机为u s b 设各建立了控制通道，使用指定的u s b 的地址和零号 端口。 如果安装的u s b 设备是集线器，并且u s b 设备连在其端口上，那上述过程对 每个u s b 设备的安装都要做一遍。 如果安装的设备是功能部件，那么主机中关于该设备的软件将因设备的连接 而被引发。 u s b 设备的拆卸 当u s b 设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该 设备已不存在。u s b 的系统软件将准确进行处理，如果去除的u s b 设备上集线器， u s b 的系统软件将对集线器反连在其上的所有设各进行处理。 总线标号 总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一的地址的一种动作，因为u s b 允许u s b 设备在任何时刻从u s b 上安装或拆卸，所以总线标号是u s b 的系统软件 始终要作的动作，而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理。 ( 8 ) 数据流种类 武汉理工大学颂十学位论文 数据和控制信号在主机和u s b 设备间的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间。这种主机软件和u s b 设备的端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。 一个指定的u s b 设备可有许多通道。例如，一个u s b 设备存在一个端口，可建立 一个向其它u s b 设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其它u s b 设备的 端口接收数据的通道。 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型： 控制数据传送( c o n t r o lt r a n s f e r s ) ：在设备连接时用来对设备进行设置，还 可对指定设备进行控制，如通道控制； 凰团圆 囝 图画圆 s e t u p s t a g e d a t a s t a a e o p t i o n a i s t a t u s s t a g e 图2 3 控制传输 批量数据传送( b u l k t r a n s f e r s ) ：大批量产生并使用的数据，在传输约束 下，具有很广的动态范围： 图囤圃团圆圆 图2 4 批量传输 中断数据的传送( i n t e r r u p tt r a n s f e r s ) ：用来描述或匹配人的感觉或对 特征反应的回馈。 茎坚些! 查兰堕! 堂堡生兰一 囤 图2 5 中断传输 同步数据的传送( i s o c h r o n o u st r a n s f e r s ) ：由预先确定的传送延迟来填 满预定的u s b 带宽。 图2 6 同步传输 对于任何对定的设备进行设置时一种通道只能支持上述一种方式的数据传 输。 控制数据传送 当u s b 设备初次安装时，u s b 系统软件使用控制数据对设备进行设置，设备 驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损性的。 批量数据传送 批量数据是由大量的数据组成，如使用打印机和扫描仪时，批量数据是连续 的。在硬件级上可使用错误检测可以保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了 数据的多次传送。此外根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应 的进行改变。 中断数据传输 中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。这种数据可由设备 在任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在u s b 上传送。 中断数据般由事件通告，特征及座标号组成，只有一个或几个字节。匹配 定点设备的座标即为一例，虽然精确指定的传输率不必要，但u s b 必须对交互数 据提供一个反应时间的。 同步传输 同步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率 发送和接收实时的信息，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时闽安排，除 了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道的带宽的确定，必须 满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区 数有关。 囤 闺 武汉理t 大学硕j j 学位论文 实时的传送同步数据肯定会发生潜在瞬时的数据流丢失现象，即使许多硬件 机制，如重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中，u s b 的数据出错率小 到几乎可以忽略不计。从u s b 的带宽中，给u s b 同步数据流分配了专有的一部分 以满足所想得到的传速率，u s b 还为同步数据的传送设计了最少延迟时问。 指定u s b 带宽 u s b 的带宽分配给各个通道，当一个通道建立后，u s b 就分配给它一定的带 宽，u s b 设备需要提供一些数据缓冲区。若u s b 提供了更多带宽，则需更多的缓 冲区。u s b 的体系要保证缓冲引导的硬件的延迟限定在几毫秒内。 u s b 的带宽容量可以容纳多种不同的数据流，因此保证u s b 上可以连接大量 设备。同时u s b 支持在同一时刻不同设备具有不同比特率，并具有个动态变动 的范围。 ( 9 ) u s b 设备 u s b 设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。集线器类指的是一种 提供u s b 连接点的设备，u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息，u s b 设备必 须在任何时刻执行与所定义的u s b 设备的状态相一致的动作。 设备特性 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是通过 该u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯。所有 u s b 设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控制通道将与 之相连。通过此控制通道，所有的u s b 设备都列入一个共同的准入机制，以获得 控制操作的信息。 在零号端口上，控制通道中的信息应完整的描述u s b 设备、此类信息主要有 以下几类： 标准信息：这类信息是对所有u s b 设备的共同性的定义，包括一些如厂商 识别、设备种类、电源管理等的项目。设备设置、接口及终端的描述在此给出。 类别信息：此类信息给出了不同u s b 的设备类的定义，主要反映其不同点。 u s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种有关信息，其格式不受 该规范制约。此外，每个u s b 设备均提供u s 8 的控制和状态信息。 设备描述 主要分为两种设各类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多的u s b 的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 集线器 在即插即用的u s b 的结构体系中，集线器是一种重要设备。图2 - 3 所示是一 种典型的集线器。从用户的观点出发，集线器极大简化了u s b 的互连复杂性，而 塑堡型三叁茎塑! ：堂竺堡奎一 且以很低的价格和高易用性提供了设各的健壮性。 集线器可让不同性质的设备连接在u s b 上，连接点称作端口。每个集线器将 一个连接点转化成许多连接点。并且该体系结构支持多个集线器的连接。 每个集线器的上游端口向主机方向进行连接。每个集线器的下游端1 ：3 允许连 接另外的集线器或功能部件，集线器可检测每个下游端1 ：3 的设备的安装或拆卸， 并可对下游端口的设备分配能源，每个下游端口都具有独立的能力，不论高速或 低速设备均可连接。集线器可将低速和高速端口的信号分开。 一个集线器包括两部分：集线控制器( c o n t r o l l e r ) 和集线放大器 ( r e p e a t e r ) 。集线放大器是一种在上游端口和下游端口之间的协议控制开关。而 且硬件上支持复位、挂起、唤醒的信号。集线控制器提供了接口寄存器用于与主 机之问的通信、集线器允许主机对其特定状态和控制命令进行设置，并监视和控 制其端口。 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的u s b 设备，通过一 根电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备一般是一种相互无关的