（精密仪器及机械专业论文）基于USB接口的多节点无线测温系统设计.pdf

摘要 摘要 本论文以基于u s b 总线的多节点无线测温系统的研制过程为主要内容，设计了一种大规模可扩 展的无线测温系统，给出了系统具体设计方案并实现了各个模块的功能。 论文首先简要介绍大规模土建施工中常用的混凝土测温方法以及目前国内外测温系统的研究动 态，接着介绍了u s b 通信协议的基本知识以及u s b 设备固件和驱动程序设计的一般方法，然后确定 了系统的整体设计方案。在此基础上，重点研究多节点无线测温系统的设计，包括硬件设计、软件 设计。在硬件设计部分，介绍了通信机设计中所用的u s b 接口芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 的性能和特点，然后 给出测温节点分机、通信机具体硬件设计。在软件设计部分，从总体上介绍了固件程序的设计思想 及其层次结构，随后介绍各层次程序的设计过程，对测温节点分机程序、通信机u s b 接口的固件程 序、驱动程序以及应用程序的设计进行了详细介绍，给出了部分源代码和程序流程图。主机应用程 序主要是提供一个友好的人机界面，对测温系统进行控制并显示上传的测温数据。 本论文完成了基于u s b 总线的无线多节点测温系统的设计，实现了基本的温度测量、传输、显 示功能。使用u s b 总线传输数据，实现了测温系统与计算机之间的数据快速传输。 关键词：测温；u s b 总线；固件；驱动；c 8 0 5 1 f 3 2 0 a b s t r a c t a b s t r a c t a t y p eo fm u l t i - n o d ew i r e l e s st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nu s bi n t e r f a c ei sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r a ne x t e n s i b l el a r g e - s c a l ew i r e l e s st e m p e r a t u r em e a s u r e m e ms y s t e mi sd e s i g n e d , i n c l u d i n gt h e s p e c i f i cs c h e m ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n to f t h eb a s i cf u n c t i o n so f e a c hm o d u l e f i r s t l y , t h ec o n c r e t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e mm e t h o dw h i c hc o m m o n l yu s e d i nl a r g es c a l ec i v i l e n g i n e e r i n ga n dt h er e s e a r c ht r e n do ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e ms y s t e mh o m ea n da b r o a d i sb r i e f l y s u m m a r i s e d s e c o n d l y , b a s i ck n o w l e d g eo fu s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o d o ft h eu s bd e v i c e sf m n w a r ea n dd r i v e ra r ei n t r o d u c e d , a n dt h e nt h eo v e r a l ls y s t e ms o l u t i o ni sd e s i g n e d o nt h i sb a s i s ，e m p l l s i si sp u to nt h ed e s i g no fm u l t i n o d ew i r e l e s st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m , i n c l u d i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ed e s i g np a r t ，t h ep e r f o r m a n c ea n df e a t u r e s o fu s bi n t e r f a c ec h i pc 8 0 51f 3 2 0u s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nm a c h i n ei si n t r o d u c e d , 也e nt l l ed e t a i l e d h a r d w a r ed e s i g no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e me x t e n s i o na n dc o m m u n i c a t i o nm a c h i n ei sp r e s e n t e d i nt h e s o f t w a r e & s i g np a r t ，t h ec o n t r o lp r o c e d u r eo ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e me x t e n s i o n ，t h eu s bi n t e r f a c e f m n w a r eo fc o m m u n i c a t i o nm a c h i n ea n dt h eu s bd r i v e ra r ed e s i g n e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h es o u r c e c o d ea n dp r o g r a mf l o wc h a r ti sa l s og i v e n t h ep ca p p l i c a t i o np r o v i d e sl a s e rw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ea n d r e a l i z e st h em a n a g e m e n to ft h et e m p e r a t u r ed a t au p l o a d e db yt h ec o m m u n i c a t i o nm a c h i n e t h ed e s i g no fm u l t i - n o d et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nu s bi n t e r f a c eh a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，d a t am a n a g e m e n ta n de t c h a sb e e nr e a l i z e d t h es y s t e ma c h i e v e st h eh i 【曲s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nb yu s i n gt h eu s bi n t e r f a c e k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；u s bb u s ；f i r m w a r e ；d r i v e r ；c 8 0 51f 3 2 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期：缉：生：z 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 温度是国际单位制( s i ) 七个基本物理量之一，作为一项热工参数，在物理学单位中占有重要的 地位。由于许多物质的特征参数与温度有密切关系，因而温度测量在工业和科学研究中得到广泛地 应用。 1 1 本课题的背景 近年我国国民经济发展迅速，土木工程建设发展亦极为迅猛，同时新建的建筑越来越大型化， 其中某些混凝土结构厚度常常高达4 米以上，而桥梁的桥墩、锚碇、水利工程的大坝等的厚度更是达 到数十米。由于大型混凝土浇铸时，浇铸后的水泥水化热不易散发，造成结构内外温差较大，进而 造成浇铸体的温度裂变问题，严重时会严重影响结构体的质量，减少建筑体的使用寿命【i 】。鉴于对 混凝土内部温度监测的迫切要求，需要设计一种能够实现现场温度自动测量，直观显示的测温系统。 1 2 本课题的目的和意义 传统的测温方法是采用温度计或在各监测点位布置温度测试探头，由专人每天定时采集各点的 温度，每天输入电脑生成温度变化曲线和报告，也有一些是通过数据采集箱采集温度数据，然后通 过电缆上传电脑做进一步的数据处理( 手动完成温度变化曲线和报表的生成) f l 】。传统的有如j d c 一2 型单点测温仪，如长沙金码高科的j m t 一5 1 2 多点自动温度测试仪，北京品傲的光纤多点温度及应变 测量仪等【2 1 。传统的温度测量方法需要监测人员频繁来往于施工现场，劳动强度大，数据采集和传 输不方便，信息管理的自动化程度低，难于满足现代信息化施工的要求【8 】。因此必须研制一种新型 的分布式远程无线监测系统，减少工程人员的工作强度，提高数据采集的准确性、可靠性，并实现 温度数据的智能化、信息化管理【。 与传统的测温系统相比，多节点无线测温系统具有很多优点【3 】【1 8 】：( 1 ) 可以很方便的对需要监 测的部位按一定的时间间隔进行全天2 4 小时的自动监测，大大减轻了操作人员的劳动强度。( 2 ) 采 用有效的接点和屏蔽措施，可以有效的抑制外部干扰，使系统设备得到安全保护，适于条件复杂的 土木工程环境。( 3 ) 采用总线和模块化形式，每个模块可以随意挂接在总线上。( 4 ) 测温节点和主 机可以通过有线和无线两种方式进行数据传输，大大提供了系统的稳定性。( 5 ) 系统的上位机软件 通过可视化软件编写，具有友好的用户界面，操作简单，维护方便，方便系统的使用。( 6 ) 可以通 过系统的设置，对某些部分进行重点监测。 近年来，无线测温系统在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领 域得到了广泛的应用【6 】。 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) 是计算机广泛采用数据传输接口，它使得计算机 和外部设备连接十分方便，在实际设计工作中，越来越多采用u s b 技术，如数据采集等，基于u s b 接口的系统设计已成为现代电子设计的一个很重要的部分【l o 】u 2 【1 6 1 。 鉴于无线测温系统在大型土木工程中的应用价值，本文提出了一种新型的基于无线数据传输的 分布式远程温度监测系统。系统采用下位机实现温度参数的测量和存储、采用目前流行的通用接口 东南大学硕_ ：学位论文 u s b 实现和p c 的数据传送，p c 在应用软件的支持下实现温度数据的转换和智能化管理，并通过网 络接口完成温度数据的远程监测。此系统将大大提高大体积混凝土温度远程监测技术，具有实际应 用价值和广阔的市场前景【1 8 】。 1 3 论文的主要内容 本论文共分六章，各章节的安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题背景、选题的依据和研究意义，并简要介绍了论文各章节安排。 第二章为u s b 接口设计必需理论和一般方法，主要介绍u s b 总线协议的基本知识，为后面通信 机u s b 接口设计建立基础。 第三章为测温系统的整体设计方案，介绍系统的节点分机、无线数传模块、通信机的软硬件设 计的各种方案并确定系统最后使用方案。 第四章主要介绍测温系统的硬件设计包括测温节点分机以及通信机的硬件设计两部分。在通信 机接口设计部分确定了本系统所使用u s b 通信的接口芯片并做了介绍。 第五章重点介绍了u s b 接口的同件设计和测温节点分机主控软件的开发，分别描述u s b 接口固 件软件各个组成部分以及测温节点分机的主控制程序设计过程。 第六章介绍了u s b 接口驱动程序设计和主机端上位机软件的设计，重点是u s b 主机端驱动的实 现并对通信机u s b 接口进行了相关的测试，最后给出系统的实物图并进行了系统联调。 2 第二章u s b 接口设计概论 第二章u s b 接口设计概论 通俗地说，基于u s b 总线的测温系统中的通信机就是一个u s b 设备，它起到系统与p c 机的数据 快速传输的作用。为了设计这个u s b 设备，首先对u s b 物理层、u s b 总线协议层有充分的认识和理 解。u s b 协议2 0 版共有6 5 0 页，正如协议本身所声明的，并不是必须通读整个协议后才能开始设 计一个u s b 设备，这一章将介绍u s b 接口技术的一般原理和知识，这些内容都是对u s b 理解基础上 的简化，根据在本次设计中实现了通信机u s b 接口功能的实践经验，这些知识是设计u s b 设备所必 须的。 2 1u s b 的总体描述 2 1 1u s b 系统组成 u s b 协议定义了u s b 系统主要由u s bh o s t 、u s b 设备、u s b 互联三部分组成【1 9 】【3 1 1 1 。 在一个u s b 系统中，只有唯一的一个主控制器( h o s t ) ，u s bh o s t 就是一个集成了包括硬件、 固件、软件的u s b 主控制器的p c 2 2 】【2 4 】。h o s t 是整个u s b 系统的中心，它控制和调度整个u s b 总线的活动。为了连接更多的设备，可将一个根集线器( r o o th u b ) 集成在h o s t 中。u s b 主机在u s b 系统的功能如下： ( 1 ) 检测u s b 设备的安装和拆卸； ( 2 ) 给连接的u s b 设备供电； ( 3 ) 管理主机和u s b 设备之间的控制流； ( 4 ) 管理主机和u s b 设备之间的数据流； ( 5 ) 收集u s b 设备的状态和动作信息。 常见的u s b 设备有两种类型：u s b 集线器和u s b 功能设备( u s bf u n c t i o n ) 。集线器为u s b 系 统提供更多的功能设备连接接口，可以把它当作成连接更多设备的电气插口。u s b 功能设备为系统 提供需要的功能，如键盘、游戏操纵杆等，而u s b 互联是指u s b 设备与u s b 主机相连并进行通信 的方法矧【2 9 】 2 q 。 2 1 2t l s b 总线拓扑结构 u s b 设备和u s b 主机通过u s b 总线相连，u s b 总线的物理连接是分层的星型拓扑结构，物理拓扑 结构如图2 一l 所示，每个网络集线器位于星型的中心，无论是主机到集线器或其功能部件，还是集 线器到集线器或其功能部件，每条线段都是点对点连接2 8 】【2 9 】。一个u s b 总线拓扑结构中只有一台主 机( 简称h o s t ) ，用户可以将设备或下级h u b 与主机上的根集线器( r o o th u b ) 相连，下级h u b 又可 以连接更下一级的设备和h u b ，从而构成有层次的星型结构【3 0 】【3 6 】。u s b 复合设备( c o m p o u n dd e v i c e ) 是指包含一个连接到主机方向的集线器端口，和一个或多个不可拆卸的u s b 设备。在u s b 2 0 规范中， 一个u s b 拓扑网络最多支持7 个h u b 层( 包括根集线器) ，1 2 7 个外设【2 2 】【2 4 】。 3 东南人学硕士学位论文 图2 1u s b 总线物理拓扑结构 2 1 3t l s b 编码方式 u s b 总线中的物理介质由一根4 线的电缆组成，它包括一根电源线v b u s ，一根地线g n d ， 它们共同为接入总线的u s b 设备供电。其余两根是用于差动信号传输的数据线d + 和d ，将数据流 信号驱动成为差动信号提高了信号的抗干扰能力。 当u s b 设备发送包时，为解决由u s b 总线产生的信号延迟，以及误差等问题，d + 与d 的差分 数据就必须采用一种特别的编码方式传送，以确保数据传送的完整性 3 9 1 。在此，u s b 采用了n r z i ( n o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t 不归零翻转) 的编码方式，n r z i 编码如图2 - 2 所示【1 9 1 。这种编码方式不 需要单独的时钟信号与数据一起发送，它用“0 ”代表电平发生跳变，“l ”代表电平无跳变【3 1 】【3 8 】。 o11o1010oo10o110 d a t a 习厂广 厂厂 厂 j n r z ii 1 田广厂 厂 厂 图2 2n r z i 编码 2 2u s b 总线的数据流模型 2 2 1u s b 的地址和端点 u s b 通信可以看作是用一个管道( p i p e ) 进行的，在一个u s b 的信令( t o k e n ) q b ，有7 个地址位， 每一个设备地址连接到一个u s b 设备。理论上应该可以有1 2 8 个不同地址的设备2 0 】【2 4 1 。但是实际 中地址0 0 0 0 0 0 0 b 被u s b 保留为缺省地址( d e f a u l ta d d r e s s ) ，每一个设备在上电时都是使用这个地址， 这样一来，u s b 所能支持的最大设备就只有1 2 7 个了【1 9 】。 连接每一个地址的设备最多有1 6 个端点，这是因为在一个u s b 信令中有4 个b i t 的端点( e n d p o i n t ) 位，这些信令( t o k e n ) 可以标示成i n 或o u t 信令( t o k e n ) 。端点的数据传输一般是单向的，但端 点0 支持数据的双向传输，一般用于控制传输。在u s b 系统中，这些端点( e n d p o i n t s ) 是非常重要的 概念，他直接关系到u s b 的数据传输。u s b 系统中，一共有两种类型的管道： ( 1 ) 流管道( s t r e a mp i p e ) ：顾名思义，数据流从一个流管道的一端流入，从另一端流出，通信 4 第二苹u s b 接口议计概论 流总是单向的，且数据流中的数据不具有u s b 定义的结构【3 1 1 。如果客户软件要和设备完成i n ，o u t 传输，必须使用两条流管道。流管道支持数据的同步传输、块传输和中断传输。 ( 2 ) 消息管道( m e s s a g ep i p e ) ：和流管道有很大程度的不同，它传输的数据具有u s b 定义的结 构，并且允许数据流在同一个消息管道的两个方向上发生，缺省控制管道就是一条消息管道，消息 管道只支持控制传输，其它传输都是使用流管道 2 9 1 1 4 1 1 。 2 2 2 事务处理与信息包 事务处理是主机与u s b 设备间数据传输的基本单位，它由一系列具有特定格式的信息包组成。 如图2 3 所示，一个u s b 传输包括一个或多个事务处理，每个事务处理又包含一个、两个或者三个 信息包3 8 】【4 5 】。 图2 3u s b 传输模型示意图 在u s b 系统中，所有的包都以一个同步字段( s y n c ) 开始，确保发送方和接收方在传输包的 过程中保持同步跚【4 3 1 。根据包标识符( p i d ) 字段的不同，包可分为4 种类型：令牌包、数据包、握手 包和特殊包。在u s b 包中数据字段包含主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据p i d 、传 输类型的不同而各不相同，并非所有的包都有数据字段。c r c 字段是用来对包中的数据字段进行错 误校验，它依据包中数据字段的存在而存在。最后包的发送方发出包结尾( e o p ) 信号表示一个包发 送完毕。u s b 总线上数据的传输都可归结为令牌包、数据包和握手包的传输2 8 1 。 ( 1 ) 令牌包【2 9 】p 1 】 在u s b 系统中，任何事务处理都是从主机开始的，主机发出令牌包表示一个事务的开始，它 包括了数据传输的方向、数据传输的设备地址、端点号等。根据p i d 的不同，令牌包分为多种类型。 ( 2 ) 数据包【1 9 】【3 1 】 数据包由p i d 、大于或等于0 个字节数据的数据区和c r c 构成。有两种类型的数据包，其p i d 分别为d a t a o 和d a t a l 。这两种数据包p i d 是为了支持数据切换同步( d a t at o g g l es y n c h r o n i z a t i o n ) 而定义的，在数据传送时，这两种数据包将交替出现，数据必须以整数的字节数发出。 ( 3 ) 握手包f 1 9 】【3 6 】 握手包仅由p i d 构成。握手包用来报告数据事务的状态，能表示数据成功接收、命令的接收或 拒绝、流控制和中止条件。只有支持流控制的事务类型才能返回握手信号。握手总是在事务的握手 5 东南大学硕士学位论文 阶段返回或在数据阶段代替数据返回。 2 2 3u s b 的传输类型 在u s b 的传输中，因不同的外围设备的类型与应用，标准制定了4 种传输类型，分别是控制传 输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 、中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 、批量传输( b u l kt r a n s f e r ) 以及实时传输( i s o c h r o n o u s t r a n s f e r ) 1 9 1 2 2 1 【3 i 】。其中，需要特别注意的是慢速设备仅支持控制传输与中断传输，全速和高速设备 支持全部四种数据传输，下面就分别介绍这四种传输方式。 1 1 控制传输3 1 1 【3 6 1 控制传输是u s b 传输中最重要的传输，只有正确地执行完控制传输，才能进一步地执行其它 传输模式。这种传输用来提供介于主机与设备之间的配置、命令或状态的通信协议。控制传输有两 个功能： 携带u s b 规范定义的要求，让主机了解设备的功能与设置配置； 携带群组或厂商定义的要求。 每一个设备必须在端点0 ( e n d p o i n t0 ) 的默认管道，支持控制传输，每一个控制传输都必须有设 置与状态阶段，数据阶段则选择性的。由于控制传输是双向的传输，所以控制传输的消息管道，同 时使用端点的输入与输出地址。 在控制写入( c o n t r o lw r i t e ) 的传输中，数据阶段的数据是由主机流向设备的，在控制读取( c o n t r o l r e a d ) 的传输中，数据阶段的数据是由设备流向主机的。 2 ) 中断传输1 9 】【2 9 】【3 2 】 中断传输使用在必须在指定时间内传输完的数据上。一般的应用包括键盘、鼠标、游戏杆、集 线器的状态报表。w i n d o w s 包含有启动设备中断传输的驱动程序，只要设备符合h i d 规范，应用程 序就可以执行设备的中断传输。 在低速与全速模式下，中断端点能够得到的带宽是有限的，中断传输的结构与批量传输相同， 唯一的差别是在日程( s c h e d u l e ) 上，中断传输是单向的传输，所有的事务必须全部是输入事务，或是 全部是输出事务。要做双向的中断传输，必须有另一条管道。当所要求的数据已经全部传完，或是 数据信息包( 包含零长度数据信息包) 包含的数据小于最大数据时，中断传输即告结束。 3 ) 批量传输【1 9 1 1 2 8 】【3 6 】 批量传输这类型的传输是用来传送大量的数据。虽然这些大量的数据须准确地传输，但相对的 却无传输速度上的限制( 即没有固定传输的速率) 。这是由于批量传输是针对未使用到的u s b 带宽来 向主机提出请求的。批量传输包含有一个或多个输入或输出事务。它是单方向的传输，所有的事务 必须全部是输入事务。 4 ) 实时传输【1 9 】【4 l 】【4 9 】 ，实时传输适用在以同定速率或特定时间内传输，可以容忍偶尔错误的串流数据上。在全速时每 个帧可传输的数据，实时传输比中断传输多。实时传输的应用包括实时的语音与音乐，不过使用固 定速率的数据并不一定需要实时传输。与批量传输不同的是，一旦实时传输开始，主机保证可以在 预期的时间内完成。 6 第二章u s b 接口设计概论 2 3u s b 分层通信 u s b 通讯模块的基本数据流和相互之间的关系如图2 - 4 所示，这个模型分为3 层：功能层、u s b 设备层、u s b 总线接口层。箭头表示实际的数据流，h o s t 和设备直接的通讯最终通过u s b 总线接 口层【1 9 】f 3 0 1 。在每一个平行层之间有一个h o s t 和设备之间的逻辑通讯接口。在这种模型中，下层实 现对上层实现提供服务f 2 9 】。 通讯模型的最底层是u s b 总线接口层，它处理h o s t 和设备之间的物理连接，在h o s t 这边，它 是主控制器的硬件，上一层是u s b 设备接口层，它用u s b 总线接口层提供的服务来管理h o s t 和设备 之间的数据通讯f 19 】【3 1 1 。这个u s b 设备接口层在h o s t 上的实现主要包括以下三个部分：h o s t 软件、 u s b 驱动程序( u s b d ) 、主控制器驱动程序( h c d ) 【2 2 】【2 引。 h o s t设备 功能层 u s b i 发备 层 u s b 总线接 u 层 图2 4u s b 分层通信模型 h c d 提供了u s b d 对主控制器硬件操作的接口，u s b d 和h c d 之间的接口称之为主控制器驱动程 序接口 2 0 】【2 4 】。w i n d o w s 操作系统提供了两种接口0 h c i 和u h c i ，它们的关系如图2 - 5 所示。u s b d 同 时对客户层提供服务，客户层由各种各样的软件组成，这些软件分别同它们对应的u s b 设备进行交 互，有一些类型设备的u s b d 操作系统己经提供，如果一个设备的驱动程序没有提供，那么我们就需 要自己开发驱动程序例【3 6 1 。 u s b d o h c iu h c i h c d 图2 5 主控制器驱动程序接口 7 东南人学硕士学位论文 2 4u s b 固件设计概述 开发一个u s b 设备，设备端的固件( f i r m w a r e ) 程序设计是必不可少的【3 9 】【4 5 】。设备端固件响应各 种来自系统的u s b 标准请求以及自定义请求，完成各种数据的交换工作和事件处理工作【3 1 1 4 3 1 。 以u s b 人机接口设备( h i d ) 为例，其启动过程分为四步，如图2 - 6 所示。 1 ) 设备的接入【2 2 l 当u s b 总线设备连接到总线上时，它虽然被供电了，但这时它并不起任何作用，而是在等待着 总线复位。 2 ) 总线复位阱】 当有新的u s b 总线设备接入时，主机检测到这个新u s b 总线设备并复位它，总线复位过程见 图2 7 所示。 3 ) 枚举阎【3 9 】【4 5 】 主机发送一个后跟i n 包的s e t u p 包，这个包从地址0 读取设备描述符。当主机收到描述符后， 它就会给该设备分配一个新的u s b 地址。然后设备与主机进行通信，同时主机继续从设备描述符、 配置描述符及其他的描述符中得知设备的信息。通过从设备返同的信息，主机能知道该设备支持的 端点数。这时，枚举过程就完成了。具体过程如图2 8 所示。 4 ) 数据的传输2 8 】【3 1 】 u s b 总线通过位于同主机上的客户软件相对应的缓存区和u s b 总线设备上的端点之间的管道 来传送数据。在消息管道中传输的数据具有u s b 总线定义的结构，但是u s b 总线也允许在消息数 据负载中传送某个特定设备结构的数据。u s b 总线规定对于任何一种管道类型，数据经过总线时要 进行分组，但是最终对一个总线操作的数据负载中传送的数据进行分析和解释工作则要由客户软件 和使用该管道的功能模块来完成。 主循环 _ 图2 6 人机接口设备启动流程图2 7 总线复位 图2 - 8 枚举 固件需要完成的主要任务如下所示： 1 译码并处理输入的控制请求； 2 为输入传输准备数据； 3 为输出传输卸载数据； 8 第二章u s b 接口设计概论 4 管理u s b 设备状态( 缺省状态、地址状态、配置状态等) ，处理相应的需求； 5 处理“s u s p e n d ”、”r e s e t ”、和“r e s u m e ”事件。 而任意一个通用的u s b 固件包则应主要包括下列几部分：初始化代码( 时钟、端口、u s b 内核 等) 、高层u s b 中断服务例程( i s r ) 和复位处理、端点0 的处理、标准设备请求处理、标准设备请求 助手例程、其它的端点处理。 2 5u s b 驱动设计概述 在w i n d o w s 系统下，主机与设备之间的u s b 通信需要各种驱动程序，操作系统已经提供大部 分驱动程序，唯一可能需要用户开发的是设备驱动( 针对非h i d 类) 3 8 4 9 1 。设备驱动程序知道如何 与系统u s b 驱动程序，以及与存取设备的应用程序沟通。 驱动程序的开发过去一直是专业性非常强的复杂工作，w i n d o w s 系统提供了w d m 型驱动开发 工具d d k ，但存在开发效率一直不高，不容易上手等诸多缺点【舶】 5 0 l 。近几年来，出现了很多配套 的驱动开发工具，如n u m e g a 公司的d r i v e r s t u d i o 、j u n g o 公司的w i n d r i v e r 等【2 2 1 。配合w i n d o w s 的开发套件d d k ，可以比较容易的开发出符合w d m 的u s b 驱动【2 0 】【4 引。 在开发u s b 驱动程序之前，首先需要熟悉一些重要概念【4 1 1 4 6 4 9 1 ： 设备：这里的设备仅指在编写驱动程序时将设备看成的一个整体。同一个设备可以有几种不同 的配置。 配置：对设备的若干种配置方法中的一种，在驱动程序中，配置用一些结构来表示。从一个配 置结构中，可以知道设备有多少接口。 接口：设备中功能相关或相近的一组端点的集合。在编写驱动程序时，可以从接口描述符中获 取相关信息。 端点：从用户的角度看，可以直接进行i o 数据流操作的设备中的基本单位。端点是单向的， 如果要对设备进行双向的i o ，必须至少有两个端点。 管道：一个端点与客户程序进行i o 操作时使用的中介。管道与端点是一一对应的。端点侧重 于静态的概念，管道侧重于动态的概念。 u r b ( u s br e q u e s tb l o c k ) ：u s b 请求块。对u s b 进行操作的请求都应调用系统例程将其转化 成一个u r b 结构，然后使用系统级的i r p 将其提交。 2 6 本章小结 本章共分为六节，第一节从总体上介绍了u s b 的系统构成、总线物理拓扑、数据编码方式，使 我们对u s b 有了全局的认识。第二节主要介绍了u s b 总线数据传输的通道，u s b 接口包含若干端 点，而数据的传输是在管道中进行的，通过这节的介绍使我们对了u s b 接口的数据传输有了进一步 的认识。第三节简要的介绍了u s b 总线的分层通信，明确了u s b 分层传输模型。第四节主要介绍 了u s b 固件设计的一般方法和流程，为后面通信机的u s b 固件开发打下基础。第五节主要介绍了 u s b 驱动程序设计的基本方法。第六节为本章小结，总结和概括了本章的主要内容。 通过本章的介绍使我们对u s b 总线了一个整体认识，为实现通信机u s b 数据传输功能打下了 基础。 o 东南大学硕士学位论文 第三章基于u s b 多节点无线测温系统的方案论证 本章主要完成测温系统的总体和各组成模块方案论证及选择。 3 1 本系统设计的基本原则 针对现有施工现场混凝土温度测量实际应用要求，本系统在设计过程中遵循下面几点： ( 1 ) 埋在混凝土内部温度传感器需要可靠性高，抗干扰能力强，接口简单，传输距离远，线路 连接方便； ( 2 )数据采集和保存部分需采用微处理器技术实现智能的定时数据采集和保存，并可根据主机 要求进行相关参数的设定； ( 3 ) 数据采集模块和监测点的数据传输以无线( 有线备用) 的方式，无线传输距离要不小于5 0 0 米，可通过软件或者硬件设置完成通信方式的切换，提高系统应用的灵活性，以满足不同应用场合 的要求； ( 4 ) 监测点的数据以u s b 2 0 接口传输到主机，实现数据的快速上传； ( 5 ) 主机端的应用程序应满足界面美观，操作与使用方便并符合习惯，自动化程度高，可靠性 高； ( 6 )测温系统的远程浏览模块应能够完成远程数据查询与监测，满足建筑体参数长期监测的要 求； ( 7 ) 整个系统模块化便于现场安装，操作简单。 3 2 系统的整体方案 整个系统由主机，通信机和多台测温节点分机构成，多节点无线测温系统的整体结构如图3 1 所示。 通 信 4 p c 机软件以j 、数据库 门 门 矿 u 机 远程浏览模块 图3 1多节点无线测温系统框图 每台测温节点分机连接多个测温传感器，并按主机的设定的时间间隔自动完成采集多路传感器 送来的温度信息，并进行储存，节点分机数据通过无线模块将数据上传至通信机。最终数据通过通 信机的u s b 2 0 接口上传至主机，主机软件完成数据的信息化管理并以直观的方式显现出来，最后 构建一个远程浏览模块，实现信息的异地监测。 1 0 第三章基于u s b 多节点无线测温系统的方案论证 3 3 测温节点分机整体方案 如图3 2 所示，本设计所采用的测温节点分机框图。节点分机由多路传感器、多路模拟开关、 信号调理电路、a d 转换器、微控制器、外扩存储模块、通信模块、以及独立的电源系统组成。下 面将逐一介绍测温节点分机的各个模块的方案及最后系统整体方案的选择。 图3 2 测温节点分机框图 3 3 1 温度传感器的选择 传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号，市场上的传感器 种类繁多，数量更是惊人 4 1 【5 1 。采用不同的分类方法，所含有的传感器类型也有很大的差别，比如 按传感器的测试原理分有电阻式、热电偶式、p n 结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等种类，而 按信号输出方式分有数字输出和模拟输出两种方式等等【4 】【5 1 。数字方式是近几年随着集成电路工艺 的迅速发展而发展出来的一种传感器。通过比较各个传感器的优缺点并考虑到本系统的传感器需可 靠性高、低成本、接口简单、传输距离远、线路连接方便的要求，且对温度测量的精度要求不高的 实际应用状况，本次设计采用p n 结型半导体温度传感器t m p 3 6 作为温度传感器，t m p 3 6 除具有 半导体温度传感器的基本特点以外，还具有输出信号大且稳定、功耗低、抗干扰性强的特点【5 1 。 3 3 2 多通道信号调理电路及数据采集方案 通常在设计数据采集系统时，首先应根据被测信号的变化速率、通道数、系统对测量精度、分 辨率、速度要求来选择合适的结构，然后在满足系统性能要求的前提下，还要考虑采集方案的性价 比。本测温系统包含多通道数据采集模块，考虑到采样的温度数据变化比较缓慢，一个a d 可以满 足需要。下面有有几种多通道数据采集和调理方案备选。 1 带多采样保持器、多信号调理电路的采集方案【3 】【6 】【1 6 】 方案1 结构如图3 3 所示，方案中采集电路的控制部分未画出，每个通道用独立的调理电路， 独立的采样保持器，共用a d 转换器。 方案1 结构的优势是： ( 1 ) 独立的信号调理使本电路适用于微弱信号输入的场合，并可保证信号的可靠性； 1 1 东南人学硕士学位论文 ( 2 ) 独立的采样保持器可以保证多通道信号采集的同步，适用于多路信号的同步和高速采样。 同时，方案1 同时也存在着元器件较多，费用较高的不足。 剖鹪淝h 洲p 利 加 刊理h s m p 多 路 开 关 剖理hs 用夸 图3 3 方案l 结构框图 2 带多信号调理电路的多通道数据采集方案6 】 7 】【9 】 方案2 结构如图3 _ 4 所示，采集方案的控制电路未画出，每个通道用独立的信号调理电路无采样保持 器，共用a d 。 图3 _ 4 方案2 结构框图 此方案的多通道采集电路未采用采样保持器，所以不适用于要求信号同步的采集方案。每个通 道使用了独立的信号调理电路，适用于信号比较微弱的信号采集。相比方案l ，方案2 减少了元器 件数目，降低了开发成本。 3 单信号调理电路单a d 的多通道信号采集方案3 】【9 】【1 6 】 方案3 结构如图3 - 5 所示，采集电路的控制电路并未给出。此方案共用信号调理电路以及a d ，并去 除了采样保持器。 巴= = = 参 s 2 多 氏、 路奎 信号调理 o ad 开 z o 关 ； s r l 匕= = = 图3 5 方案3 结构框图 1 2 第三章基于u s b 多节点无线测温系统的方案论证 方案3 采用了单信号调理电路单a d 转换，只适用于对信号采集不要求严格同步或信号变化缓 慢的场合。多路开关前移和信号调理电路共用，要求传感器输入信号为大信号，由于器件共用，成 本大幅降低。 鉴于所选用的温度传感器的输出信号变化缓慢且输出信号较大，综合考虑方案3 可以满足设计 需要，故本系统的多通道信号采集调理电路采用多传感器+ 多路模拟开关+ 单信号调理电路+ a d 转 换电路的方案。 3 3 3 微控制器、存储模块、通信模块 测温节点分机需要完成温度数据的定时采集、存储等控制，这要求需要一个微控制器来完成， 考虑到系统的实际需要我们选用普通的5 1 内核的单片机即可满足需要。测温节点分机温度数据是按 主机设定的时间间隔传输数据，鉴于普通基于5 l 的内核的单片机的存储器空间比较小，不能满足时 间间隔内温度数据的存储需要，故测温系统需要扩展外部数据存储器。测温节点分机需要将温度数 据传输到通信机上，考虑一般单片机自带u a r t ，采用串行接口连接无线数据传输模块实现节点分 机数据的上传。 3 4 通信系统方案 考虑到系统的特定使用环境，测温节点分机一般放置于条件比较恶劣的建筑工地现场，而监测 人员一般与现场有一定的距离，工地现场条件可能不方便布线或现场有较强干扰，鉴于此，本次设 计的无线测温系统的数据传输至主机主要分为两步，第一步是测温节点分机的数据通过无线( 有线 备用) 传输到通信机。第二步是通信机将数据通过u s b 2 0 接口上传至主机。这样的通信模式既可 以简化系统使用的现场布线又可以提高数据的传输速度，符合现代智能测温系统的要求。 3 4 1 通信方案选择 通信系统方案包括无线通信方案和有线通信方案两种，考虑到系统主要应用于大型土木工程结 构施工监测，大型粮库的粮情监测以及能源化工领域，条件可能不方便布线，所以本次设计采用无 线通信方案。 无线通信方式有模拟和数字两种，因为数字通信技术具有更强的抗干扰性和可靠性，本系统的 温度数据传输采用数字通信方式，而数字通信方式大致有四种方案【3 11 6 。 1 、利用蓝牙技术进行的短距离无线数据传输【6 】【9 】 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开发性全球规范。该技术的实质就是利用低功率无线电 在各种3 c 设备间彼此传输数据技术。只要传输距离在1 0 0 m 之内，蓝牙无线传输完全可以取代有线。 只要在设备间加载蓝牙模块，就可以搭建无线传输通道，非常方便。 2 、利用g s m 网络以s m s 形式传输数据的无线数据传输【6 1 g s m 系统时目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较完善，应用范围最广的一种系统。通 过g s m 的短消息系统传输数据具有方便快捷、网络覆盖面广等优势。但同时短信息有1 6 0 的字符 长度限制，同时容易冈短信中心数据繁忙造成信息阻塞与丢失，不能保证信息的实时收发。 3 、采用g p r s 网络的无线数据传输【3 】 g p r s ，通用无线分组业务是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的，广域的 1 3 东南人学硕士学位论文 无线i p 连接。可以允分利用现有g s m 网络，方便快速的实现数据快速传输，没有数据长度的限制。 利用g p r s 网络需要获得移动通信部门的许可，传输数据按流量收费，每次系统使用时都要联系当 地移动通信提供商，不方便。 4 、利用专用的无线数据传输模块进行无线数据传输【3 j 随着射频技术、半导体集成技术、生产工艺等技术的发展，产生了很多专用的无线数传模块， 采用特定的通信频率