（通信与信息系统专业论文）基于usb20的数据采集与信号处理.pdf

硕士论文基于u sbzo 的数据采集与信号处理 ab s t 邝c t inp r a c t l 时 p roje ctofr a d arsy st e m ， we usual 卜n e ed即 q u i r e 凡 祖 ar压 时 a fi is t 胡d t h e n dot heds lta . p r oc e s s in g bec auseofthe fu nct 1 o na1 compl e x ity sowe m us t h a v e a re h able 山 阳 . a 闪u l s iti on andd a ta . p r o ce ss 吨s y s l e m .1 l l et 仆 以 l t i o n a l山 lta . 朗 q u l sition an d 山切 巾 r oces s l n g sy s t e mw hi chb a se d on此 c o m p u t e r 、 朋i v e r sa l b uss u c h asp clbos can n o t 劝 1 5 斤t h egr o w i n gs peed of data . ac q ul sition b e c 吟of the l i 而t of the b u s ， 5 b and w i d t h . t 】1 1 s p a per di sc usse s a desi gn sc h e me an d i mp1 eme n t a t i 0 n ofdata . “ 月 u l s iti on 即 d d a t a . p roce ss in g s y s t e mb 斑 祀 d onu s b 2. o and fpg a . 丁 h e dstaa c q u 1 s i t i 0 n and si gna 1 p roce s s i n g s y stem理 锡 d fpg aasa host c o n t r o l l er，and a dtr ans fo rm d al 以can be re ce i v e dth ro u gh f p d pin t e ri 触 c eandt h e ndea l 诫thd ata p r e p 代 沁 es s 吨 by the f p g aifnece s sa 刁 t b enthe d al 以w i l l be se nttothe u s bboard 比 阳 u gh ano t h e r fpd p i n t e rfac e ， 胡 d fi n a l l y，it 诫nbewri tt eni n t 0 com p u t erfor s t o r a g e 助d h and l i ngth ro u ghu s bboar d t h i s p a per， fi r s t ly，i n t r o d u c e s kno w l e d geai 沁 u t u s bp r o t o c o l ， incl u d i n g archi t e c tu r a l oveme w，d a tafl o wmodel， d a tan o wt y pes andso叽 明d th en itdesc r ibes adssi gn s c h e m e o f d a t a 门 c q u i s it i o n and d at a 币 ro c e ss i ng sy s t e mb as edonu s b z .o inw hi c h t h e r e are 幻 刃 o p a rt s : 恤r d w 田 re山si gnand soft w ar e desi gn. inthe p artofh 盯 d w a r e ， t h e h ar d w ar e des i gno f u s bcon ” n u n l c ationsys t e mb 士 犯 d onu s b z .o c hip c y 7 c 6 8 0 1 3 i s di sc uss e d and 比 e n the b az d waredesi gnsc h e m e offpg aand a disg l v e n . hithe p art ofso n w ar e ， the f x 26 n n w ar e fl o wi s s h o w 几即 d the fi rmw ar e des i gno f u s bs l ave f i f 0i s d i scus se d in d e ta l l . t 七 e 氏f p g ap r o g n n n b 别 姆 d onv h d l isdesc ri bed . 仆即， we di s c u 哭d a p p li c at i o n dssi gna n d u s bd ri v er嫂. f 1 nal 1 y，com b 1 ni ngb ar d w a red es i gnand so ft w ar e d e s i gn， we g i v e the d e b u g s t r at e gya n d 伴rforlnancete st in面s s y s t e m t h e d a t a . 朗quisiti onand d a ta 甲 r o c es si ngsyst em， 加t 。 吻 fi ni s h e s a dd ata cou ecti 叽 si gna l g e n e rati onand s pec t n 刀 刀 姗 】y zat l o 乓b utai sodeal s 币thdi gi talsi g n a 1 p r e p r oces s i n g ， for e x 别 m p l e ， fil 记 ri n g and soon k e y w o r d s : u s b ， f p g a ， d a taacqui s i ti o n ， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名年月日 硕士论文基于usbz. 0 的数据采集与信号处理 1绪论 1 . 1 研究背景 近年来，国内外雷达技术研究进展迅猛， 各种新体制雷达相继问世， 对雷达信号 的采集与处理能力都提出了更高的要求。 作为雷达信号处理的前端， 数据采集与处理 设备是通用雷达信号处理机不可缺少的一部分。它可以 对雷达回波进行数字化处理， 性能直接影响和制约了雷达的整体性能。 在雷达新体制研究中， 我们首先进行数据采 集和存储， 然后在计算机上进行算法研究和改进， 最后才开展实时信号处理机的 研制。 因此研制使用灵活、可连续大容量存储的数据采集和处理系统就显得尤为迫切。 本文就是根据实际雷达信号处理的要求而设计了 基于f p g a 的u sb总线数据采集 与处理系统。 由 于雷达信号频带宽， 动态范围 大， 导 致实际 采集到的数据具有采样率 高、 数据量大的特点， 所以可根据需要对采集的数据先进行预处理来降低数据率、 减 少数据量。 雷达信号处理系统所涉及的主要技术包括数据重采样、 参数估计、自 适应 滤波、 恒虚警处理、 脉冲压缩、自 适应波束形成和旁瓣对消等， 通常需要完成大量具 有高度重复性的实时计算。 而专用集成电路芯片或可编程大规模集成电 路能够实现很 高的运算速度， 非常适合雷达信号处理系统的应用。 采用现场可编程门阵列(f p g a ) 进 行数字信号处理发展迅速l.。 在雷达信号处理系统中 可利 用f p g a 实现信号的预处理 与分析处理功能等。 fpga具有可编程器件设计灵活的优点， 使设计者在f pga 开发系 统软件的支持下， 现场可直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能。 u sb使系统真正 的易插拔、高性能，具有简单的接口 界面， 优秀的可扩展性.f p g a技术与u sb 技术 的采用，可有效增强系统的数据处理能力和传输速度。 我们这里设计的数据采集与处理系统可以进行 12位数据宽度的连续采样，最高 采样速率可达g msps。 1 . 2 研究 概况z 现在常用的采集数据方式是通过数据采集板卡，它们一般多是通过i sa、pci 或 是c pci 等内 置式接口 实现pc机与外围系统之间的通信。内置式插卡容易受到代机 箱内高 频信号的 干扰影响， 从而降低系统的 采样精度和稳定性。 此外， 计算机主板上 的插槽个数是有限的， 加上仪器电 路插卡的安装( 必须断电、 打开机箱操作) 很不方便。 更有甚者，在pc机箱内插入的专用插卡必须进行资源重配置，以避免资源冲突， 而 此项工作专业性很强， 往往令人头疼。 这些弱点使得它的应用受到了很大的局限。 现 在的以盯串 行口 虽然支持外插， 但因其速度太慢， 远不能 适用现今高速设备的 发展 需求。而通用串行总线( u s b)使高传输速度、易扩展性、方便的即插即 用有机的结合 硕士论文荃于u s b z . 0 的数据采集与信号处理 在一起， 很好地解决了以 上这些冲突， 很容易就能实现低成本、 高可靠性的数据采集。 usb 是由c o m p 叫、 d i g i t a l e 卿i p 扣 e n t 、 1 朋 、 i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 和 n o r t h e r n telec 腼等七家计算机和通信公司联合制定的， 并成为了行业标准。 这一技术解决了 串行设备和并行设备如何与计算机相连的争论，大大简化了计算机与外设的连接过 程。 u s b 的英文全称是u niversa1s eri alb us，中文含意是通用串 行总线， 它是一种 应用于陀领域的新型接口 技术。它的 特点主要有: 1)速度 快。 u s bz. 0 接口 的 传 输 速 度高 达4 80 m b p s ， 和串口 的 速度 相比 ， 相当 于 串口 速度的4 0 0(j多倍，完全能满足需要大量数据交换的外设的要求; 2) 设备安装和配置容易。安装u sb 设备不必再打开机箱， 加减已 安装过的设备 完全不用关闭计算机。所有u sb设备均支持热插拔，且易于扩展; 3) 使用灵活. u s b 共有4 种传输模式: 控制传输、 同步传输、 中断传输和批量传 输，以适应不同设备的需要。 数字信号处理易于实现模拟信号处理器难以实现的功能。 近年来， 由 于高速数字 计算机的发展， 大大促进了 数字信号处理的 应用。 实现数字信号处理主要有两种形式: 一种是使用数字信号处理器( dsp) 19 ， 通过软 件编程来实 现; 另一种是应用专用集成 电路芯片或可编程大规模集成电路来实现。 第一种利用软件编程来实现， 虽然有很大 的灵活性， 但受 dsp本身性能及程序指令顺序执行的限 制， 难以实现高速、 大规模运 算;而专用集成电路芯片或可编程大规模集成电路却可以实现很高的运算速度， 非常 适合高速信号处理系统的应用。 现在， 随着微电子技术的发展， 采用现场可编程门阵列 (f p ga) 进行数字信号处理发展迅速。由 于 fpga不仅可以解决电子系统小型化、低功 耗、高可靠性等问题， 而且开发周期短、 开发软件投入少、 芯片价格不断降低， 促使 其越来越多地取代了a s ic 的 市场， 特别是对小批量、多品种的产品需求，使 f p g a 成为首 选图. 通过比较， 我们选择了一种基于usbz. 0 和f pga 的数据采集和信号处理的设计和 实现方法。 本数据采集与信号处理系统采用ppga作为主控制器， 通过f p dp接口 接收 ad 变换的数据，并根据需要由f p g a进行必要的数据预处理， 然后通过另一个 fpdp 接口 将采集数据送入u sb控制板， 最后经u sb将数据读入计算机存储和处理。 1 . 3论文的研究内容与章节安排 我们选用u s bz. 0 接口芯片和f 凡a 芯片来实现u s b z . 0 的数据采集与信号处理系 统。 本文主要对基于u s b z . 0 的 数据采集与处理系统的软硬件设计和实 现做了 深入的 探讨，包括fl，g a系统的软件和硬件设计，u s b板的硬件设计，u s b芯片的固件设 计，应用程序设计以 及对系统的进一步调试与测试等。 论文的结构安排如下: 硕士论文基于u sbz . 0 的数据采集与信号处理 第一章:介绍了 本领域的 背景、 研究概况以 及课题的 主要内 容。 第二章:介绍了u s b规范中的内 容:包括u s b的体系结构、u s b数据流模型、 设备端点和通道、 u s b的 传送类型、以 及u s b标准设备请求及其描述符等。 第三章: 先给出了系统设计的技术指标以 及需要实现的 功能， 然后从硬件和软件 两个角度，分析了 基于u s b z . 0 的数据采集与处理系统的构成。 第四章: 讨论了 数据采集与处理系统的硬件设计， 其中 包括u s b 通信板， f p g a 板和a d转换器系统共3 个部分的内 容。 第五章: 进行了 数据采集与处理系统的软件设计， 主要分为四部分， 第1 部分介 绍了固 件程序的框架结构， 以 及如何编写u s b固 件程序; 第2 部分讨论了 基于f p g a 的数字信号处理 f f t的实现，以及fpg a与u s b的 通信;第3 部分论述了系统 应用程序的设计;第4 部分描述了u s b驱动程序的使用。 第六章:讨论了数据采集与处理系统的调试与性能测试，包括u s b板的调试与 测试， u s b板数据传输的速度测试、 u s b板数据传输的可靠性与完整性测试以及a d 采集和数据存储测试。 硕士论文基于u sbzo 的数据采集与信号处理 zu sbz . 0 规范 2 . 1引言 本文所讨论的数据采集与处理系统是基于u s bz. 0 接口 实现的，为此，本章具体 介绍u s b 的有关协议， 主要包括u sb体系结构、 数据流模型、 u sb传输数据的要素以 及传输数据的类型、usb 标准设备请求和设备的描述符等。 2 . z u sb的 体 系 结 构 旧 阁 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。 由主机预定的标准的协议使各种设备分享u sb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。 2 . 2 . i u s b 系统的描述 一个u sb系统主要被定义为三个部分: u s b 的互连; 。 u s b 的设备; u s b 的 主机。 u s b 的互连指u sb设备与主机之间 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 sb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 sb从产生方到使用方的流动方式; u s b 的调度: u sb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，并且避免优先级判别的开销。 2 . 2 . z u s b 总线结构 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机， u sb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 . 1 中 可看出usb 的拓扑结构. 在任何u sb系统中， 只有一个主机。 u sb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. 根集线器是由主机系统整合的， 用以提供 更多的连接点. 由图2 . 1 可知， u sb的拓扑结构体系由3 种元素组成:主机、 hub 和设备。 在pc 平台上的u sb中， pc就是主机和根h ub， 用户可以 将设备和下级hub 与之连接。 而这 些附加的h ub 又可以连接更下一级的hub 和设备， 从而构成了星形结构。 在 usb 协议 硕士论文基于u s b z . 0 的数据采集与信号处理 1 . 1 中， 一个u sb的 拓扑网 络最多可以 支持4 个h ub层 ( 包括最后一级设备的 话就是 共5 层)共 1 27个外设。 t的r 4 图2 . 1 总线的 拓扑结构 2 . 2 . 3 usb 的电 气及机械特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线电缆，图2 . 2 中的两根线是用于发送信号。 vbu s d十 o- cnd vbusd+、gnd 图 2 . z u s b的电缆 存在三种数据传输率: 命 u s b的高 速信号的比 特率定 为4 80m b p s : 令 u s b的全速信号的比 特率定为1 2 m b p s ; 令 低速信号传送的 模式定为1 . s m b p s : u s b z . 0 主机控制器和集线器提供了 使全速和低速数据可以 在它们之间以 高速传 送的能力，而在集线器和设备之间数据仍以 全速或低速传输。 这种能力使全速和低速 设备对高速设备可用带宽的影响最小。 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 nrzi 码， 并填充了比 特以 保证转换的 连续性， 每一数据包中附 有同步信号以 使得收 方可还原出原时钟信号。 电缆中包括v bus 、gnd 二条线，向设备提供电源。 v b u s 使用+5v 电源。 usb 对电 缆长度的要求很宽， 最长可为几米. 通过选择合适的导线长度以 匹 配指定的ird rop 和其它一些特性， 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。在每个端口都可检测终端是否连接或分离， ， 硕士论文基于u s 日 2 . 0 的数据采集与信号处理 并区分出高速、全速或低速设备。 2 . 3 usb 数 据 流 模 型 .1 图 2 . 3 简单的u s b 主机/ 设备 u s b 系统提供了主机和u sb 设备之间的通信功能，从终端用户的角度看到的u sb 系统， 可简单地用图2 . 3 表示。 但在实际的实现上， 具体的系统要比这复杂。 由于不 同层次的实现者对u sb有不同的要求， 必须从不同的层次观察usb 系统。 主机分客户软件层， u sb系统软件层和u sb主机控制器。 设备分u sb总线接口 层， u s b 设备层和功能层。 令 客户软件( cli entsoft， are):为一个特定的u sb 设备而在主 机上运行的软 件。这种软件由u sb设备的提供者提供，或由操作系统提供。 令 usb 系统软 件( u sbsyst朋sof t ， are): 此软件用于在特定的 操作系统中 支持 u s b ， 它由操作系统提供。与具体的u sb设备无关，也独立于客户软件。 令 u s b 主机控制器( u s b h o s t c o n t r o l l e r ) :总线在主机方面的接口，是软件和 硬件的总和。 用于支持usb 设备通过usb 连到主机上。 扣.叫 乍二二二 二或 实际通信流 逻 粗通信流 图2 . 4 usb 系统层次结构 如图2 . 4 ，一台主机与一个u sb设备间的 连接是由 许多层上的连接组成。 u sb总 线接口 层提供了 在主机和设备之间的物理连接、 发送连接、数据包连接。 u sb设备层 对 u s b系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的一般 u sb 6 硕士论文基于u sbz . 0 的数据果集与信号处理 操作。 功能层可以 通过与之相配合的 客户软件向主机提供一些额外的 功能。 u sb设备 层和功能层的通信是逻辑上的， 对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u sb总线接口 层来完成. 2 . 3 . i u sb总线拓扑结构 总线拓扑结构包括三个重要的组成部分: 令 主机和设备:u sb系统的基础组成部分; 今 物理拓扑结构:描述u sb系统中的各组成部分是如何连接起来的: 命 逻辑拓扑结构: 描述u sb系统中各种组成部分的地位和作用，以 及描述从主 机和设备的角度观察到的u sb系统。 2 . 3 . 1 . iu s b 主机 主机由3 部分组成: 令 u s b 主机控制器 ( u s a助s tc o n t r o l l e r ): 令 u s b 系统软件集合: u sb驱动程序、 主机控制器的驱动程序、 主机软件; 令 客户软件。 usb 主机在u sb系统中是一个起协调作用的实体，它不仅占 有特殊的物理位置， 而且对于 u sb 以及连到 usb上的设备来说，还负有特殊责任。主机控制所有对 usb 的访问。一个u sb设备想要访问总线必须由主机给予它使用权。主机还负责监督usb 的拓朴结构。 2 . 3 . 1 . zu s b 设备 一个u sb设备由usb总线接口、usb 逻辑设备、功能模块构成。usb 设备用于向 主机提供一些额外的功能， 这些功能是多种多样的， 但它们面向主机的接口却是一致 的。 所以 对于所有u sb设备， 主机可以 用同样的方式来管理u sb设备中与u sb有关的 部分。 2 . 3 . 1 . 3 usb 总线的物理拓扑结构 u s b 系统中设备与主机的连接方式采用的是星形连接，如图2 . 5 所示。 图2 . s usb 物理总线的 拓扑 硕士论文基于usbz. 0 的数据采集与信号处理 2 . 3 . 1 ， 4 u s b 总线的 逻辑拓扑结构 在物理结构上， 设备通过hub 连 到主机上。 但在逻辑上， 主机是直接 与各个逻辑设备通信的， 就好像它们 是直接被连到主机上一样。 这个逻辑 关系如图2 . 6 所示。 2 . 4 u s b 数据传输 图 2 . 6 usb 逻辑总线的拓扑 u s b 数据传输类型包括批量传输、中断传输、同步传输和控制传输。 端点0 只能 配置为控制传输类型， 其他端点传输类型的选择则比较灵活。 控制传输可靠性是最高 的， 但速度最慢。 同步传输速度快， 满足是实时性， 但可靠性低. 传输类型选择的原 则是根据工程应用的 传输速度和可靠性。 例如， 语音传输， 要求高 速度和实时性， 对 于丢失帧的情况也可以接受， 所以选择同步传输类型; 打印机要求的速度较快， 而且 不能出现数据丢失，综合传输速度和可靠性，所以 选择批量传输类型。 2 . 4 . i usb 数据传输要素 2 . 4 . 1 . 1端点 ，” 端点实际上就是设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区。 u s b系统中，每一个 端点都有唯一的地址， 这是由设备地址和端点号给出的。 而设备的大小、 属性等在设 备出厂时由厂家定义。所以，每一个u s b设备在主机看来就是一系列端点的集合， 主机通过端点与设备进行通信。 端点的特性，主要有数据传输方式 ( 用于 in 事务的端点、o u t事务的端点和 s e t u 甲事务的端点等) 、总线访问频率、带宽、端点号和数据包最大容量等。 除了端点0( 用作控制传输端点，默认) 外， 端点必须在设备被主机配置后才能 使用。 2 . 4 . 1 . 2管道【 ，幻 管道并不像端点那样具有实在的意义。 它只是一种逻辑上的概念。 端点是数据缓 冲区; 管道是主机和设备端点之间的连接。 用于数据传输的管道， 代表了 主机的数据 缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。 设备被配置后， 端点就可以使用了， 此时管 道也就存在了。 管道包括数据流管道和消息管道两种。 u s b没有定义通过数据流管道移动的数 据的格式。而消息管道中的数据有u s b定义好的格式。 此外，还有一种特殊的管道控制管道。其实，它可以归结到消息管道中去。 硕士论文 基于u s b 么0 的数据采集与 信号处理 只是为了与端点0 的特殊性相配合， 因而这里单独提一下。 所以设备必须支持端点0 以构筑设备的控制通道。 通过控制通道，主机可以获取u s b设备的完整信息， 包括 设备类型、电 源管理、 配置 及端点描述等。 作为u s b即 插即 用特点的体 现， 只要设 备连接到主机上， 端点就可以 被访问，即与之相应的管道也就存在了。 最后说明一点， 管道的概念主要用于p c上驱动程序和用户程序的编写， 在设计 u s b设备的时候， 一般都不会涉及到。 2 . 4 。 1 . 3帧和微帧tbi u s b z . 0 和u s b i . 1 规范最大的不同之处就是数据帧。 在u s b i . 1 规范中， usb 数据 采用每毫秒一个数据帧的方式进行数据传输， 在毫秒数据帧的开始， u sb主机首先产 生帧开始 (s of)数据包， 并 传输当前数据帧号， 后面是传输数据。 对于u s bz. 0 规范， 为了 支持4 80m b ps高速传输速度， u sbz . 0 提出了 微帧的 概念， 每毫秒数据帧又包括8 个微帧。 在u sb每个数据帧中 包括控制、 中断、 同 步和批量传输数据， 每个传输类型 分配一定的带宽， 中断传输和同步传输有时间要求， 所以每个数据帧中均要分配一定 带宽。 2 。 4 。 2 u s b 的要求。 2 。 4 . 2 . 1 u s b 数据传输类型 定义了4 种传输类型， 这些传输类型必须符合通过总线来传输不同数据类型 批量传输 批量传输是一种突发的传输模式。此种传输模式中， 在全速方式时，以8 、1 6 、 3 2 、64 字节信息包传输; 在高 速方式时，以512 字节信息包传输。此外，由于其具 有自 动的 错误数据校验机制 ( c rc)，所以 批量传输能够确保其正确性。 若总线上有 可用的带宽时， 则主机会安排批量信息包。 另外， 批量传输类型可通过握手包所提供 的内建流程来控制。 2 . 4 . 2 . 2 中断传输 中断传输有点类似于批量传输。中断传输的信息包在全速方式时为1 产 芍 4 字节， 而在高速方式时可达到1 0 24字节。中断端点必须设置轮询间隔，以 保证经过主机做 有规则的询问。因此，此种中断传输方式有点像pc主机的轮询方式。 2 . 4 . 2 . 3同步传输 同步传输具有时间临界的特性， 应用在如音频和视频的数据流中。 一个同步信息 包， 在全速方式时可达到1 0 2 3 字节; 而在高速方式时可达到1 0 24字节。 对于同步传 输， 传输的时间是最重要的 请求信息。 在每一个u sb帧中， 会声明某些带宽给同步传 硕士论文基于u s b z . 0 的数据采集与信号处理 输使用。 为了 减轻带宽分配的负担， 同步传输没有设置任何的握手包， 而且也不会在 发生错误时重试。错误检测仅限于 16 位 c rc 错误校验码。由于同步传输没有采用 dat a-toggle机制， 所以 在全速方 式中 ，同 步 传 输仅使用了d at ao p i d ; 而 在高 速方 式中，同步传输使用了以t a o 、 dat ai、 d a t a z 和m d a t a 。在全速方式下， 每一个端 点、 每一帧仅只有一个同步信息包能被传输; 在高速方式下， 可以有3 个同步信息包。 2 . 4 . 2 . 4 控制传输 控制传输用于配置设备和给设备发送命令。 由于控制传输的作用是如此重要， 所 以 传输中采用了 最强的u sb错误校验。 对于控制传输， 主机在每一个u sb帧中都留有 余量 ( 一般为1 溅) 。 控制传输包含2 3 个阶段。 其中， set u p 阶段中包含了8 个usb c ont r o l 数据。如有必要，可执行d ata阶段，此阶段包含有更多的数据。在sta tus ( 或握手) 阶段中，允许设备指示一个控制操作已 经成功完成。 2 . s u s b 标准设备请求l41 u s b 标准设备请求用来完成u sb设备枚举的命令， u sb设备必须对标准设备请求 作出响应， 不管该设备是否已 经被分配了一个默认的地址或该设备目 前正在配置。 所 有的设备请求都是使用默认管道来传输的。 u s b 的设备请求由8 个字节组成，格式定义如表2 . 1 所示。 表2 . iusb 标准请求格式 偏移值字段名称字段长度字段取值说明 0设备请求 类型 1位图 请求特性: d 7 : 数据传输方向 0 = 主机到设备 1 =设备到主机 d6 : 类型 0 = 标准 1 = 类型 2 = 厂商 3 二 保留 d4:0:接收方 0 =设 备 1 = 接口 2 =端点 3 = 其他 4.二1 =保留 l设备请求l 数值usb 设备请求 2值2值 根据不同的请求，以 字节为单位来定义 4索引2字段编号 索引 根据不同的 请求，以 字节为单位来定义 6 长度 2 计数如果传输一组数据， 指出要传输数据的字 节数 u s b标准设备请求有 11个命令，对应的代码和说明如表 2 . 2 所示。 硕士论文基于u sbz . 0 的数据采集与信号处理 表2 . z u s 习 标准设备请求 请求类型设备请求值( z b )索引( z b )长度数据 l 0 0()仪沁o b 1 0 0 0 加0 1 b 1 1 ) 0 0 0o 1 0b g e t 一t a t u s ( 阅h ) 0设备 接口 端点 2 b 设备、 接口 或 端点的状态 加 加加加 b 0 0 (x)000 1 b o0 0000 1 0b c l e a r se f e a t u r e ( o l h ) 特性 选择符 设备 接口 端点 0 无 l 0() 0 (xk 】 o b 1 0 0() l 洲 j o i b 1 0 0()0() 1 0 b s e t f e s t u r e ( 0 3 h) 特性 选择符 设备 接口 端点 0 无 0 0 00(x)0 0bs e ta d d r e s s ( 0 5 h) 设备地址 ( 1 1 2 7 ) 00 无 l 0 0()0 0 0() b g e t 少e s c r i p t o r ( 0 6 h ) 描述符的类型 和索引 0 或语言 i d 描述符 长度 描述符 (x) 0 0 0 0 0 0 b s e t es d e s c r i p t i o n ( 0 7 h ) 描述符的类型 和索引 0 或语言 i d 描述符 长度 描述符 1 0 0 0 0 0 0 0b g e t ee c onf i 即r a t i o n ( o sh) 00l配置值 0 以刃 000 0 b s e t 多o n f i gurat i o n ( 0 9 h ) 配置值 00 无 l 0 0(0() 0 0 b g e tl n t e r f a c e ( 0 胡) 0 接口 1 可选的接口 0 0 000o0 0bs e tl n t e r f a c e ( q b h ) 可选设置接口0无 1 000 00 1 0b s y n c h es f r 山e ( 沉h ) 0端点2 帧数 u s b 标准请求中的描述符类型如表2 . 3 所示。 表2 . 3 描述符的 类型 描述符类型数值 设 备 ( dev i c e ) 0 l 配置 ( c o n f i gnrat i o n ) 0 2 字符串( s t r i n g ) 0 3 硕士论文基于u s82 . 0 的数据采集与信号处理 接口( i n t e rfa c e ) 端点( end 因i n t ) ijsb 中可选择的 特性选择符只有2 种， 表 2 . 4 十一雀 如表2 . 4 所示。 特性选择符 特性选择符名称 设备远程唤醒 1 禁止端点 2 . 6 us b 设 备的 描 述 符叫 接收方 设备 端点 数值 usb 设备的描述符掌握了关于设备的所有信息， 设备的实现是通过建立描述符来 体现其特征 和行为的。 描述符的 层次结构体现为一个描述符树，如图2 . 7 所示。 图2 . 7 u s b 描述符树 最上层的树根是设备描述符。 每个设备描述符包含一个或多个下一层的子树， 配 置描述符。 而后依序下一层子树是接口 描述符。 其后一层的是端点描述符。因此，从 设备描述符中， 可以设定含有多少个配置描述符。 而从配置描述符中， 则可设定其包 含多少个接口 描述符，当然从接口 描述符中，又可设定所含端点的数目 。 u s b 设备通过这些描述符向u sb主机汇报设备的各种属性， 主机通过对这些描述 符的 访问 对设备进行类型识别、 配置并为其提供相应的客户端驱动程序， 运行于u sb 协议栈上层的客户端驱动程序通过这些信息访问设备并与其通信。 (l ) 设备描述符 设备描述符描述了 设备的通用信息，一个设备只有一个设备描 述符。 比较特殊的是， 默认控制管道数据包的长度是在设备描述符中定义的， 而不象 其他端点是在端点描述符中定义的。 设备描述符是由14个字段共18字节组成的。 (2) 配置描述符 配置描述符用于描述一个u sb设备的属性和能力等配置信息。 配置描述符由8 个字段共 9 字节组成。 硕士论文基于u sbz . 0 的数据采集与信号处理 (3 ) 接口 描述符 接口描述符用于描述一个特定接口 的属性。 接口 一般是由一系 列端点所组成的集合体， 用于实现某种特定u sb的数据传输功能。 一般一个u sb设备 只需具有一个接口。 接口 描述符还可以在配置后加以 改变。 一个接口 描述符的端点个 数不把端点0 计算在内。接口 描述符由9 个字段9 字节组成。 (4 ) 端点描述符 端点描述符用于描述非0 端点的属性， 包括输入/ 输出方向、 端 点号和端点容量即包的大小等。 需要注意的是， 端点描述符是作为配置描述符的一部 分来 返回 给主 机的 ， 而不能 直接通过 控制传输中的g e t p e sc ri p t o r 或 s e t d e sc ri p t o r 命令来访问。端点描述符由6 个字段7 个字节组成. ( 5)字符串描述符 字符串描述符是可选的。 如果一个设备不支持字符串 描述符， 在设备、 配置和接口描述符内的所用字符串描述符的索引都必须为0 。字符串描述符 由3 个字段组成。 2 . 7 本章小结 本 章 介 绍了u s bz . 。 协 议币 的 相 关 协 议: u sb体 系 结 构 和 系 统 描 述， 数 据 流 模 型 ， 端点、 通道、 帧和微帧， 数据传输类型、以及叙述了u sb标准设备请求和u sb设备的 描述符等。在此基础上，下一章将讨论基于usbz. 0 数据采集与处理系统的设计。 硕士论文墓于ijsbz. 0 的数据采集与信号处理 3基于usbz. 0 的数据采集与处理系统设计 3 . 1 引言 第二章主要介绍了u s bz. 0 协议的相关内 容。 在本章中， 我们将从系统的角度讨 论如何进行数据采集与处理系统的设计。由于实际采集的数据一般具有采样率高、 数 据量大的特点， 所以需要对它们先进行预处理来达到降低数据率、 减少数据量的目 的。 f p g a 不仅可以 控制而且可以 进行预处理， 如进行滤波、谱分析等。 本章首先给出了基于usbz. 0 的数据采集与处理系统的性能指标，然后叙述了数 据采集与处理系统的具体功能。 接着从硬件角度论述了数据采集与处理系统的硬件结 构， 并在此基础上对每一个组成部分的结构及其功能作了说明; 然后论述了数据采集 与处理系统不同硬件模块的软件设计结构。 3 . 2 系统指标与功能 该基于u s b总线的数据采集与处理系统的基本性能指标如下: 1) 接口 方式: usb 总线 ( 支持u s bz. 0 接口 标准，可热插拔，即插即用) 2 )采样率:g m s p s( g m l l z ) 3) ad 转换位数:12位 4) 输入范围: zv p 一 p( 外部电 源3 . 3 v ) 5) u s b 数据传输位数:16位 6) 数据可连续存储到硬盘 下面具体介绍一下数据采集与处理系统的功能: 令 实际信号采集功能 系统可以 利用a d ， 对输入的模拟信号进行连续的采集， 然后将采集到的 大批量 原始数据( 几十兆到几百兆) 在fpg a中做相应的数字信号处理或者对这些数据不做 任何处理，直接通过u s b通信板送p c机保存. 令 信号产生功能 系统可以 通过f p o a产生多种信号波形，并将这些波形数据通过u s b通信板送 到p c 机保存并显示，这使得整个系统具有信号发生器的功能。 令 数据预处理功能 系统可以 对f p g a产生的不同波形数据或是实际采集到的原始数据进行预处理， 本论文以 傅立叶 变换为例进行讨论， 然后再将处理后的数据通过u s b 通信板送到p c 机。 在整个系统的调试过程中， 可以借助数码管、 l e d和按钮进行调试。 在p c机和 硕士论文基于u s b z . 0 的数据采集与信号处理 u s b通信板之间， 既可以 通过v c界面按钮来控制u s b 通信板上数码管和l f d ，同 时也可以通过u s b通信板上按钮， 来控制应用界面上对应的数码管和led . 3 . 3系统构成 一个完整的数据采集与处理系统设计总是包括系统的硬件设计和软件设计两个 部分，下面分别就它们进行论述。 3 . 3 . 1 硬件系统构成 日 弓 几 兀3 5400阅2 佣 u s b 通 信 板 c 丫 7 c 680 1 3 a 伪 2 3 5 f p d p 通信接口 代机 f r d p 通 信 接口 1 ，. : !fpdp 1 通信接口 u s 监.0 接口 u s bz刀 接口 图3 . 1 数据采集与处理系统硬件构成 一个实际的基于u s bz. 0 的数据采集与处理系统可以具有很强大的功能，本文涉 及的数据采集与处理系统可以 分为4 个部分:负责信号处理和控制的f 邢a 板、负责 数据传输的usb 通信板、负责数据采集的a /d板以及pc机。图3 . 1 是整个数据采集 与处理系统的框图。由图3 . 1 可以看出， u s b通信板是p c机和fpg a之间的桥梁， 通过它p c机可以 和f p g a间进行准确的数据传输。 f p ga板包括数码管和l ed两种显示电路、按钮开关、拔码开关、6 个fpdp通信 接口以及jtag接口，其核心是可编程逻辑门阵列f p g a 芯片xc3 5 4 0 0 p q 2 08，其结构 如图3 . 2 所示。 f p g a 板可以 通过f p d p 通信接口 与外界进行数据通信。 当需要对采集 数据进行处理时，可以通过一个f pdp 通信接口与a/d 板连接，来获取采集数据，然 后可以再通过另一个 f 即p 通信接口 和 usbz. 0 接口将数据送至陀 机保存。 掀码显示 ( 8 刁 立 * 4) ( s b 能 ) 按钮开关 btni 祠刃再 尤 3 54加 fq z 佣 搜码开关打 胡 口 fpdp 通信接 口 ( 6 个) 图3 . z f 邢a 板结构图 u s b 通信板包括数码管和l ed两种显示电 路、 按钮开关， 它们都由1/0 扩展芯片 l 5 硕士论文基于u sbz . 0 的数据梁集与信号处理 pcf85 7 4 通过i t总线与u sb芯片进行通信; 还包括f pdp 接口 和u s bz. 0 接口， 它们 负责与外围 设备进行数据交换; u sb通信板的核心是cy7 c 6 8 0 13芯片， 它是cypre ss 半导体公司e z 一 u sb f x z 系列中一种既满足u s bz. 0 协议同时又兼容u s bi. 1 协议的功 能强 大的接口 芯片。 该芯片基于e z 一 u s b f x 开发， 通过集成的发送器、 s ie、 8 0 51微 控制器、存储器和可编程 1 /0接口 ， 提供u sbz . 0 支持。 u sb通信板的结构如图3 . 3 所示。 图3 . 3 u s b 通信板结构图 a/d 转换器系统共由7 部分组成，它们分别是: a /d芯片a d 9 2 35、时钟模块、信 号调理模块、 选择控制模块、电源模块、输出缓冲驱动模块和f p dp接口 模块。整个 a/d 转换器系统是以ad9 2 35 芯片为核心进行数据采集， 其结构如图3 . 4 所示。 图3 . 4 a / d 转换器系统结构图 3 . 3