（通信与信息系统专业论文）具有主从usb接口的智能化数据采集系统的接口设计与实现.pdf

首都师范大学硕j ：学位论文 具有主从u s b 接l 的智能化数据采集系统的接口设计与实现 摘要 在科学技术研究和工业生产的各行业中，数据采集处理系统应用广泛。目前，u s b 设 备的开发和应用在国内外处于高速发展阶段，具有广阔的发展前景。将u s b 应用于数据采 集，可以很好地克服传统数据采集卡安装麻烦、易受机箱内环境干扰、受资源限制不可挂 接很多设备等缺点，很容易实现高速实时、大容量、低成本、高可靠性、多点的数据采集， 具有安装方便、即插即用、置于机箱外电磁干扰小、供电方便、容易扩展等优点。信息系 统的一个发展趋势是以f p g a 为代表的现场可编程技术在迅速崛起。s o p c ( s y s t e r no n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程片上系统，它在f p g a 中嵌入硬核或软核处理器，集处理器和 f p g a c p l d 的优点于一身，实现可配置s o c 。将s o p c 技术应用到u s b 数据采集处理系 统设计中，可以简化系统，降低干扰，提高性能。 本论文研究设计的智能化数据采集处理系统用于在建筑等领域中对埋入建筑物的各 类金属的腐蚀效应所起的电化学反应过程进行测量并具备智能存储处理功能。本系统在借 鉴已有开发成果的基础上，不仅能够在联机情况下通过从u s b 接口与p c 上位机进行通信， 而且能够在脱机的环境下通过主u s b 接口将数据存储到u 盘。系统结合使用了u s bs l a v e 和u s bh o s t 两种技术，兼备u s b 设备功能和嵌入式u s b 主机功能，实现了u s bo t g ， 这是对以前工作的完善和拓展。 本论文在采用传统的单片机系统实现数据采集与存储实验成功的基础上，提出了用 s o p c 技术构建系统的方案，将单片机作为软核嵌入到f p g a 中，实现软硬件协同设计。 用到的工具有a l t e r a 公司的q u a r t u si i ，并用原理图输入的方式设计f p g a 中的逻辑电路。 其特点是电路结构简单，通用性强，升级方便，产品生命周期长。 本论文结合使用s o p c 技术和u s b 技术对大容量数据采集系统进行设计，主要完成了 系统的硬件设计和固件编程。系统简单便于携带，适于实验室或者野外环境下采集数据的 需要。该系统不仅能够在本课题中使用，在医疗、电力、环保等其他需要数据采集处理的 领域也有应用价值和参考价值。 关键词：数据采集、u s b 、s o p c 、f p g a 首都师范人学硕i 二学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接口设计与实现 a b s t r a c t i ns c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ha n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e d t h ed e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so fu s bd e v i c e sa th o m e a n da b r o a di si nah i g h s p e e ds t a g ec u r r e n t l yu s 眵a d a p t e rc a nb eu s e di nd a t aa c q u i s i t i o n , a n di t c a nb eu s e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h e a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d ss u c ha st h e i n s t a l l a t i o nt r o u b l e t h ee l e c t r o n i cc r o s s t a l ki nc o m p u t e ri sh e a v ya n dt h er e s o u f o ei sl i m i t e d u s bd a t aa c q u i s i t i o ni se a s yt oa c h i e v et h ed a t ac o l l e c t i o no f h i g hs p e e d , l a r g e - c a p a c i t y , l o wc a s t , l l i g hr e l i a b i l i t ya n dm u l t i p l ep o i n t s ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fe a s yi n s t a l l a t i o n , p l u g - a n d - p l a y , s m a l l e re m io u t s i d et h ec o m p u t e rc a g e ，c o n v e n i e n tp o w e rs u p p l ya n de a s ye x t e n s i o n a d e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o ns y s t e mi st h a tt h ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) t e c h n o l o g y i sr a p i d l yr i s i n g s o p ci ss y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p i te m b e d st h eh a r dc p uc o r eo rt h e s o f tc p uc o r ei nf p g a s nc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f p r o c e s s o ra n df p g a c p l da n dr e a l i z e s t h ep r o g r a m m a b l es o c a p p l y i n gs o p ct e c h n o l o g yt ou s bd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e mc a ns i m p l i f yt h es y s t e m ，r e d u c et h ed i s t u r b a n c ea n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c e t h ei n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r i su s e dt om e a s u r et h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s sc a u s e db yt h ec o r r o s i o ne f f e c to fe a c h k i n do f m e t a lb u r i e di nt h eb u i l d i n g s d r a w i n go nt h eb a s i so f t h ed e v e l o p m e n tr e s u l t sb e f o r e ，t h e s y s t e mc a l ln o to n l yc o m m u n i c a t i o nw i t hp cu s i n gu s b s l a v ei n t e r f a c ei no n l i n es i t u a t i o n ，b u t a l s os a v i n gm e m o r yd a t at oa nud i s ku s i n gu s bh o s ti n t e r f a c ei nt h eo f f - l i n es i t u a t i o n t h e s y s t e mr i s e st w ok i n do ft e c h o o l o g i e 旷_ ii s bs l a v ea n du s bh o s t , a n dr e a l i z e su s bo t gw i m b o t ht h ef u n c t i o n so fu s bd e v i c ea n de m b e d d e du s bh o s t t h i si st h ep e r f e c ta n de x p e n do n p r e v i o u sw o r k i nt h ef o u n d a t i o no fs u c c e s s f u le x p e r i m e n t su s i n gt h et r a d i t i o n a ls c ms y s t e mf o rd a t a a c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ，t h i sp a p e rh a sp r e s e n t e dt h ep r o g r a mo f s y s t e mc o n s t r u c t i o nu s i n gs o p c t e c h n o l o g y , w h i c he m b e d d e ds c mi n t of p g aa ss o f tc , o r ea n dh a sr e a l i z e ds o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n t h et o o lu s e di sq u a r t u si io f a l t e r ac o m p a n y , a n dw e 唧t h e w a yo f d i a g r a m i m p o r t i n gt od e s i g nt h el o g i cc i r c u i t si nf p g a t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r es i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r e , s t r o n gv e r s a t i l i t y , f a c i l i t a t eu p g r a d i n ga n dl o n gp r o d u c tl i f ec y c l e t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h el a r g e - c a p a c i t yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t l lt h ec o m b i n e du s eo f s o p ct e c h n o l o g ya n du s bt e c h n o l o g y i tm a i n l yc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n df i r m w a r e n 里塑些堕二茎! 塑：! 兰竺丝兰 墨宣圭丛型塑堡坚箜塑丝些塑塑墨苎墨丝丝堡竺堂生兰壅堡 p r o g r a m m i n go ft h es y s t e m t h es y s t e mi ss i m p l ea n de a s yt oo a l t ya n ds u i t a b l ef o rd a t a c o l l e c t i o ni nt h el a b o r a t o r yo rw i l d e r n e s se n v i r o n m c i i t t h es y s t e mw i l ln o to n l yb ea b l e t ou s ei n t h i st o p i c , b u ta l s oh a v eg r e a ta p p l i c a t i o n sa n dr e f e r e n c e si nt h eo t h e ra r e a sw h i c hn e e dd a 协 a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs u c ha sm e d i c a lt r e a t m e n t , d e e t r i cp o w e r , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n d s o o n k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n , u s b ，s o p c ，f p g a l 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 韩彭敖 日期：，7 够月拥 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 糊姗戤研移苏 胁佩脚 酋都师范人学硕j ：学位论文 具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接口设计弓实现 第1 章绪论 1 1 立题依据及发展现状 1 1 1 立题依据 在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用p c 机或工控机对各种数据进行采 集，如液位、温度、压力、频率等【l 】。数据采集处理系统应用广泛，在道路交通、测绘测 量、电力、城市规划、海事、公安、环保、电信、林业、商业、仓储等领域都有应用。根 据应用领域不同，系统构成和特点会有差别，但数据采集系统的基本原理是相同的。 根据数据采集系统的应用不同，大体上分为两类：在线式和便携式。在线式数据采集 系统可分为台式和连线式，大部分直接由交流电源供电，一般是非独立使用的，在采集系 统与计算机之间由电缆连接传输数据，因此，在线式数据采集系统必须安装在固定的位置， 不能应用在需要脱机使用的场合。为了弥补在线式数据采集系统的不足之处，便携式数据 采集系统应运而生，它由电池供电，与计算机之问的通信并不和采集同时进行，它有自己 的内部存储器，可以存一定量的数据，并可在适当的时候将这些数据通过传输媒介传输给 计算机。便携式数据采集系统适用于大数据量非实时的数据采集场合，可脱机工作，满足 不同场合的应用需要，并由于电子技术的发展不断向小型化、智能化方向发展。 1 9 9 5 年通用串行总线( u n i v e r s a la e r i a lb u s ，简称u s b ) 标准出现，为计算机外设提 供了一个全新的接口标准。当前，u s b 接口技术的应用已十分成熟和普遍，它使外设和 p c 机连接方便。u s b 接口具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线 供电、使用灵活等优点。 目前，u s b 设备的开发和应用在国内外处于高速发展阶段，具有广阔的发展前景。u s b 数据采集系统也倍受关注，并研制生产出许多相关产品，使数据采集进一步向即插即用、 小巧便携的方向发展。u s b 成为便携式和简单测量设备的首选接口。在数据采集系统中采 用a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等数据采集板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由 于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备【”。特别是便携式计 算机的接口资源更受限制。而将u s b 应用于数据采集，可以很好地解决以上这些冲突，很 容易就能实现高速实时、大容量、低成本、高可靠性、多点的数据采集【1 1 。基于u s b 接口 芯片的数据采集卡具有安装方便、即插即用、置于机箱外、电磁干扰小、供电方便、容易 扩展等优点。但是，这些设计大多数是使用u s b 从设备芯片，系统只能和p c 机交互数据， 只有极少部分设计使用了主机接口芯片，系统可外挂u s b 移动存储。 首都师范人学颂 ：学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接l i 设计与实现 直接和p c 机通信的系统，数据可以及时在p c 机上得到处理，能够满足实时控制的需 要；外挂移动存储设备的系统，使用便捷，可用于野外作业。本论文研制的系统兼备了两 者的优点，性价比高，既具有u s b 设备的功能又具有u s b 主机的功能，实现了u s bo t g ( u s bo n - t h e g o ，便携式u s b 或称移动u s b ) ，符合未来数据采集和工控的发展方向。 信息系统的另一个重要发展趋势是以f p g a 为代表的现场可编程技术在迅速崛起。 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) b p 可编程片上系统，它在f p g a 中嵌入硬核或软核处 理器，集处理器和f p g a j c p l d 的优点于一身，实现可配置s o c ，既适应设计人员对系统 部件集成的需要，又能实现可配置需求的灵活性，从而为许多现实应用提供一种平衡解决 方案。人们开始尝试将s o p c 技术运用到电子设计中来，实现软硬件的协同设计。在数据 采集处理系统设计中，也可以采用s o p c 技术，简化了系统，提高了性能。此课题将在用 单片机进行实验成功的基础上，将单片机以软核形式嵌入到f p g a 中，从而在数据采集处 理系统中实现了s o p c 技术。 1 1 2 发展现状及趋势 一、采集处理系统技术现状 w i n t e l 架构是指采用i n t d 或兼容的处理器及微软或兼容的软件的数据采集系统。这种 基于w i n t e l 的p c 机的数据采集处理系统架构以其开发成本低、开放性、运算通信能力强、 易于使用，成为设计应用的主流。w i n t e l 架构的数据采集系统可分为2 种形式：基于板卡 的集中式数据采集系统，它将一块基于i s a 或p c i 的板卡插入工业计算机或商用计算机上， 将外部信号通过导线引至接线端子上然后输入数据采集卡，通过定制的软件就可以进行数 据或信号采集，优点是成本较低、速度块，缺点是传输距离短、可靠性般，布线费用高； 基于分布式的数据采集系统，它可以用智能采集模块记录信号，再通过一些通用总线如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 或仪器专用总线i e e e - 4 8 8 或v x i 进行传送，但这样速度、距离都受到很大 限制，也可以通过c a n b u s ，p r o f i b u s 等现场总线将智能模块引入计算机，上位机通过定 制的软件和智能模块通信，优点是易维护、布线简单、可靠性高，缺点是采样速度低、成 本较高。 二、u s b 数据采集处理系统构成 数据获取部分包括系统前端数据采集转换部分的信号采集、调理、a i d 转换，要根据 采集的精度、速率、通道数等诸多因素选择合适的芯片。外围调理电路完成信号的滤波和 放大。设计时应充分注意抗干扰的性能，尤其对a d 采集更是如此。在一些特殊场合除了 需要考虑高速、高分辨率外，还要考虑到隔离的问题来保证数据传输时的正确性和可靠性 2 首都师范人学硕十学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接口设计j 实现 及人员设备的安全。首先可以在采集系统的输入前端隔离，将被测信号的地与设备的地隔 离，通常可以采用光耦器件或隔离放大器；其次在数据向上位机的传送时使用光纤，保证 信号在传输过程中不会受到外界恶劣环境的干扰。 数据存储部分可以根据采样速度和深度灵活应用不同的存储方案，如采用d m a 方式与 高速s r a m 、采用双端口存储器、采用先入先出存储器、采用非易失性存储器。本系统采 用非易失的u 盘进行大容量数据存储，它具有成本低、容量大的特点。 数据传输部分，在市场上大部分数据采集设备使用p c i 总线或p 总线的同时，u s b 总 线的数据采集设备也增长很快。基于u s b 外设的应用目前在国内外处于高速发展阶 段，利用u s b 进行数据采集和工业控制已得到成功应用【”】。基于u s b 的数据传输可 采用两种方法：一种是带u s b 接口的单片机( m c u ) ；另一种是采用通用的单片机与纯 粹的u s b 接口芯片嘲。 u s b 接口技术包括主从模式，即h o s t 和s l a v c 技术，u s b 技术规范将使用u s b 进行数据 传输的双方划分为两种角色- h o s t 和s l a v e ，并且规定，数据传输只能发生在h o s t 和s l a v e 之问。目前，绝大多数h o s t 功能角色被集成在各种类型的p c 机上，如笔记本电脑、台式机、 m a c 机及服务器等；而各种各样的基于u s b 的移动设备都集成了u s bs l a v e 功能角色，例如 u 盘、带u s b 接口的数码相机等。这样，就导致这些作为u s bs l a v e 的u s b 接口的数字设备 中的数据，离开p c 机无法读写。解决这一问题的根本办法就是在需要使用u s b 设备的系统 中集成u s bh o s t 功能模块，使之具有与u s bs l a v e 设备进行数据传输的能力【1 5 】，能够实现 点对点的通信。本系统将结合使用这两种技术。u s bs l a v e 用于与p c 上位机的连接，u s b h o s t 用于连接存储设备。 三、 u s b 数据采集处理系统发展现状和趋势 u s b 数据采集处理系统具有高速实时、灵活可靠、低成本、简化系统等优点，因此得 到越来越广泛的设计研究和应用。一些厂家也根据不同需求相继推出了他们的实现方案和 相关产品【4 】【2 0 】。目前存在多种实现方案和产品，需要根据实际情况合理选择。目前，n i 公司在前端利用传感器即插即用技术，在后端使用即插即用u s b 连接技术推出了即插即用 数据采集系统构架，简化系统配置和安装过程，同时提高了系统的便携性【2 0 】。还有许多 u s b 接口的数据采集设备都附带现成即用的数据记录软件，从而可以马上开始采集数据。 现有工业用采集系统有许多利用不同方案来实现u s b 数据的采集，大多数是利用单片 机作为控制核心，再结合专用的u s b 芯片，同时根据需要会使用c p l d 或f p g a 芯片定 制用户逻辑完成特定功能。这种方法的优点是技术成熟，设计简单灵活【1 7 1 ，使用在集成度 首都师范人学硕i ：学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接u 设计实现 要求不高，需要考虑芯片引脚的连接和电路板的布局布线的设备中。 s o p c 技术是当前嵌入式系统开发的一个研究热点。利用s o p c 解决方案，可以很方 便地生成基于软核处理器的片上系统，其设计方式正在受到越来越多的开发设计者的重视 并被越来越广泛的应用1 2 0 j 。s o p c 技术也被运用到数据采集处理系统中，并相继出现了一 些初步验证成功的方案，有的已经制成样品【1 2 】，但真正投入生产做成产品的还不多见。将 s o p c 技术和u s b 技术结合运用到数据采集处理系统中，国外出现了用于实验的开发板， 但真正形成产品的还较少见。 有些数据采集处理系统为适应现场长时自j 数据采集的需要和便于携带，需要脱机工 作，这时可以通过使用f a l s h 等非易失性存储器来存储采集的数据与程序。现有的系统 使用c f 卡、s d 卡、u 盘，从而实现外挂式海量数据存储，并可根据情况随时更换存储设 备，使用方便，适于脱机工作。以f l a s h 作为存储介质的u 盘结合了u s b 接口技术和 f l a s h 存储的优点，更是带动了一个r r 行业新的经济增长点。但是现在的u 盘大多只能 在p c 机上使用，所以要在数据采集处理系统和工控行业中实现对u 盘的读写是一件非常 有意义和前景的事情。本系统在借鉴已有开发成果的基础上，不仅能够通过u s b 接口与 p c 上位机进行通信，而且实现了在脱机的环境下与u 盘本地通信。系统结合使用了u s b s l a v e 和u s b h o s t 两种技术，兼备u s b 设备功能和嵌入式u s b 主机功能，实现了u s b o t g ， 这是对以前工作的完善和拓展。其中，u s bh o s t 技术包括u s b 批量传输、海量存储、文 件系统等协议内容。 1 2 系统实现功能及意义 1 2 1 系统实现功能 本课题是与北京科技大学合作的项目，课题来源于北京市建委，北京奥运场馆建设中 场馆安全保障系统钢筋混凝土腐蚀检测项目。在场馆建设中，需要对埋入地下和建筑物中 的有关金属材料的腐蚀情况进行监测，以便于维修人员根据监测到的情况采取相应措施进 行维护或维修。此智能化数据采集系统就是以此为背景进行研究设计的。 本课题的目的是运用s o p c 技术，构建并实现具有u s b 接口和u 盘存储的智能化数 据采集系统。本课题研究设计的智能化数据采集系统用于在建筑等领域中对埋入建筑物的 各类金属的腐蚀效应所起的电化学反应过程进行测量并具备智能处理功能。此系统可应用 于各类数据采集的场合，例如各类微弱电信号的测量，闭环控制信号的输出等。 智能化数据采集系统需要完成的功能： 4 首都师范人学硕卜学位论文具有主从u s b 接口的智能化数据采集系统的接口设计与实现 ( 1 ) 可以控制测量用电源设备的输出，包括输出方式( 恒压恒流) 、输出量程( 大， 中4 , ) 。 ( 2 ) 可以采集测量对象的电压数据。 ( 3 ) 可以与p c 上位机通过u s b 接口连接，可以被上位机所控制，并在上位机的控 制下实时地上传数据。 ( 4 ) 当p c 上位机不在( 即脱机) 时，本智能化数据采集系统可以按预先设定的程序 自动工作，数据存储在自备的u 盘中，u 盘可置换；随后，存储在u 盘内的数据可以通过 u s b 接口传给p c 上位机进行处理。 1 2 2 系统实现意义 一、理论价值 通过本课题可以促进s o p c 技术在u s b 智能数据采集处理系统中的应用。通过在 f p g a 中嵌入软核处理器，可实现软硬件协同设计，并可根据实际需要增加功能进行升级； 利用u s b 接口可以与p c 上位机进行通信，在脱机环境下，可以使用u 盘进行数据存储， 结合使用了u s bs l a v e 和u s bh o s t 两种技术，实现了u s bo t g 。 二、实际意义 运用s o p c 技术使系统设计灵活，并具有可扩展性，使用u 盘存储使系统简单便于携 带，适于实验室或者野外环境下采集数据的需要。该系统不仅能够在本课题中使用，在医 疗、电力、环保等其他需要数据采集处理的领域也有应用价值和参考价值。 1 3 论文内容及组织形式 本文讨论了具有主从u s b 接口的智能化数据采集系统的接口设计与实现，详细介绍了 系统硬件和软件开发的技术细节。本文的重点在于系统硬件的实现，以及系统固件程序的 开发。各章节安排如下： 第一章介绍了本论文的立题依据、系统实现功能和论文组织形式。 第二章介绍系统设计过程中所用关键技术_ iy s b 技术和s o p c 技术。 第三章介绍系统总体构成、方案设计和芯片选择。 第四章介绍系统硬件电路的设计，分模块介绍各基本功能电路和扩展功能电路 第五章介绍固件程序的实现过程，重点阐述了固件编程。 第六章介绍了运用s o p c 技术构建的系统结构和设计方法。 第七章是总结与展望。 首都师范人学硕 ：学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接l j 设计i 实现 第2 章关键技术 这一章将就系统设计过程中所涉及的u s b 技术和s o p c 技术作一详细介绍。 2 1u s b 技术 2 1 1u s b 概述 一、u s b 的出现和发展 随着计算机技术的飞速发展，传统的接口已经无法满足p c 机与外部设备间不断提高的 速度及稳定性、易用性等要求，给p c 机系统设计者带来许多麻烦，给用户带来诸多不便， 并且对于这种接口设计没有严格的设计标准要求，使得该接1 2 1 的各种外设自j 存在不兼容的 问题。这不仅使外设日益多样化的发展趋势与系统( v o 端1 2 1 、m q ) 有限性的矛盾更加突 出，而且给用户对外设的连接和使用带来极大不便，正是遇到了旧的接口体系的缺陷，迫 切需要新的通用型外设标准出台。从2 0 世纪9 0 年代以来，又有许多新的总线接口协议问世， 其中最成功的是以i n t e i 公司为首的，联合c o m p a q ，i b m 、d e c 、m i c r o s o f t ，n o r t h e r n t e l e e o m ， 以及n e c 共七家公司于1 9 9 4 年1 1 月推出的一种快速的、双向的、同步传输的并可以热拔插 的新型通用串行总线，简称u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线。 二、u s b 的特点及优点【l l 】 u s b 夕b 设的特点也就是u s b 的优点，随着各种类型的u s b p 设( 如u s b 闪存盘、u s b 视频头、u s b 鼠标等) 的陆续出现，u s b 通信的优点越来越广泛地被人们所熟知，将外设 连接到计算机时，u s b 接口成为优先的选择，u s b 有着让外设的使用者和u s b 软硬件的设 计者双方都满意的特性。u s b 的优点和它的协议规范是紧密结合的，因此，读者在阅读了 下一节的u s b 协议基础后将对这些优点有更为深刻的认识。 u s b 的优点主要包括以下几个方面。 1 即插即用 这是u s b 的易用性，支持热插拔和操作系统的自动配置。这样，在w i n d o w s 操作系统 的环境下就可以直接接入或拔出u s b 设备，而不用重新启动p c 机。 2 广泛的软硬件支持 软件和操作系统对于u s b 的支持越来越强大，w i n d o w s 、l i n u x 操作系统对u s b 的各 种设备的支持越来越完备，硬件和半导体厂商所能提供的u s b 解决方案和外设产品也越来 越多。 3 低功耗 6 首都师范大学硕l ：学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接u 设计弓实现 u s b 有一套独特的电气层机制来保证其低功耗。此外，u s b 协议为设备定义了2 种供 电模式：自供电和总线供电。 4 可选择的多速度模式 u s b 提供了3 种速度模式：低速的1 5 m b p s 、全速的1 2 m b p s 和高速的4 8 0 m b p s 。不 同的速度可满足不同的外设需求。 5 完善的总线拓扑结构 u s b 菊花链式的星形总线结构，能够支持多达1 2 7 个外设的同时连接，充分满足外设 的需求。以u s bh u b 为“中转站”的模式，大大降低了u s b 主机的工作负荷，使设备更 稳定的工作。 6 多种设备类 从音频设备、大容量存储设备到m a s ss t o r a g e 到人机接e l 设备h i d 等等，几乎各种计 算机外设都可在u s b 中找到相应的支持。 7 硬件结构标准化 u s b 协议规定了2 种标准的接插件：a 型和b 型。其中a 型用于下行端口，即矩形 口，b 型用于上行端口，即方形口。 8 低廉的价格 u s b 获得了广泛的软硬件支持，有大量产品问世，必然降低u s b 从芯片到设备的价 格；u s b 体系结构决定了其软件协议的复杂，并因此换得了硬件上的相对简化，这又降低 了系统成本。 2 1 2u s b 协议基础 2 1 2 1u s b 系统 一、u s b 系统模型 u s b 以u s b 主机为核心，以外围的u s b 设备为功能，组成了系统模型。u s b 提供的 是主机和设备中间的一种数据通信服务。u s b 主机包括p c 机和嵌入式主机2 种类型，u s b 设备就是各种计算机外设产品或各种嵌入式系统的设备。 主机是u s b 的核心，每一次u s b 数据通信都必须是由u s b 主机来发起的( 远程唤醒 模式除外) ，主机管理着每个设备。随着计算机工业的飞速发展，主机嵌入式化是大势所 趋。我们设计的具有主从u s b 接口的智能化数据采集处理系统在连接p c 上位机的情况下 完成的是u s b 设备的功能，但要实现脱机情况下将数据存储到u 盘的功能，就要在系统 7 首都师范人学硕i ：学位论文 具有土从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接u 设计j 实现 中嵌入u s b 主机的功能。 u b j 执 城第m 胡0 _ _ _ 管道( p i p e ) ；两个同一层次的实体之间的连接 毒数据传输机制 参和u s b 相关的数据传输 图2 i 1u s b 通信参考模型 图2 1 1 是u s b 通信参考模型，从中可看出完整的u s b 系统构成。从图中分析可知， u s b 系统的软硬件资源可分为3 个层次，即接口层、设备层和功能层。接口层涉及的是具 体的物理层，主要实现物理信号和数据包的交互，也就是在主机端的u s b 主控制器和设备 端的u s b 总线接口之间传输实际的数据流。设备层主要提供u s b 基本的协议栈，执行通 用的u s b 的各种操作和请求命令，从逻辑上讲，就是u s b 系统软件与u s b 逻辑设备之间 的数据交换。功能层提供每个u s b 设备所需的特定的功能，主机端的这个功能由用户软件 和设备类驱动程序提供，而设备端就由功能单元来实现，它们之间的这种联系看做是逻辑 上的数据流。 u s b 硬件：u s b 主控制器根h u b 、u s bh u b 、u s b 设备( 包括u s b 协议栈固件) ； 8 首都师范大学硕 二学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接口设计与实现 u s b 软件( 基于p c 机) ：用户软件和u s b 设备类驱动程序、u s b 核心驱动程序、u s b 主控制器驱动程序。 二、p c 机平台上的u s b 系统 1 p c 机上的u s b 系统组成部分 p c 机上的u s b 同其他p c 机组件一样，包括2 部分：硬件和软件。硬件完成物理上 的接口和实体功能，软件则和操作系统配合管理硬件，完成数据流传输。图2 1 1 左面虚 线框中表示的是u s b 主机的组成部分，由此可知p c 机体系上的u s b 主机包含3 个部分。 u s b 主控制器根h u b ； 它们是p c 机上的硬件，一般由u s b 主控制器芯片、u s bh u b 控制器芯片、u s b 端 口连接件及控制器外围电路等组成。 u s b 主控制器芯片提供u s b 收发物理层，实现u s b 电缆上差模信号与数字信号的转 换并提供端点的物理存储机制，还根据u s b 的传输机制自动管理各端点的存储与数据交 换；它还提供与c p u 的接口电路，通过以并行或串行的方式连接到c p u 的总线上而建立 与c p u 的通信。在基于p c 机的系统中，u s b 主控制器是通过p c i 总线和c p u 进行通信 的。 根h u b 是u s b 的第一级h u b ，提供u s b 的物理接口。它直接提供下行端口，供外围 设备连接使用。一般的u s b 主控制器芯片本身就集成了根h u b 并直接以d + 和d 两根引 脚的方式提供端口连接点。 u s b 系统软件； 它主要指p c 机上操作系统提供的一系列软件和驱动程序，主要由u s b 核心驱动程序 和u s b 主控制器驱动程序组成。 u s b 核心驱动程序，是整个软件体系的核心部分，起到了中问桥梁的作用，它被捆绑 在p c 机的操作系统中，解释u s b 设备类驱动程序发来的命令并将其转化为一个或多个 u s b 传输，然后发送给u s b 主控制器驱动程序。 u s b 主控制器驱动程序负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将u s b 传输分解为总线事务发送给u s b 主控制器芯片，并最终将串行数据发送到电缆上。u s b 核心驱动程序不与u s b 主控制器硬件直接打交道，而是通过u s b 主控制器驱动程序这个 媒介来与u s b 主控制器硬件进行通信。 一般来说，u s b 核心驱动程序和u s b 主控制器驱动程序由支持u s b 的操作系统来提 供，而u s b 设备类驱动程序则由该特定u s b 设备用户自己来开发。 9 首都师范人学顾l ：学位论文具有土从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接u 世计j 实现 用户软件和u s b 设备类驱动程序。 u s b 设备类驱动程序，也叫做u s b 用户驱动程序，它把用户要求的u s b 命令发送给 u s b 主控制器硬件，同时初始化内存缓冲区，用于存储所有u s b 通信中的数据。w i n d o w s 操作系统对于h i d 类和m a s ss t o r a g e 类设备提供了设备类驱动程序，而对于大部分的u s b 设备类，用户和厂商还需自己开发类驱动程序。 用户软件主要指用户与u s b 系统之问的一种界面，它主要完成用户对于u s b 的控制， 以及实时地进行一些数据的交互。 2 u s b 在p c i 总线上的位置 整个p c 机上的u s b 是建立在p c 总线上的，p c 机与u s b 的物理连接是通过p c i 总 线来实现的。 三、设备级的u s b 系统 设备级的u s b 系统指的整个u s b 系统除去主机以外的组成部分，包括u s b 设备和h u b 。 1 u s b h u b 集线器( h u b ) 是u s b 即插即用技术中关键一环。它提供了u s b 的连接端口( p o r t ) ， 是将多个连接线集中在一起的设备。u s bh u b 利用u s b 电缆上的电平变化可以检测下行 端口上u s b 设备的接入或者移出，同时可确定设备的速度类型。 2 u s b 设备 u s b 设备从底层的物理和电气特性到上层的软件协议和数据结构都有严格的定义，分 为很多u s b 类。每个u s b 设备都具有表明自身能力和所需资源的描述符，在设备第一次 连接到主机上后，首先要接受主机的枚举，提供描述符，在得到主机的允许之后，设备就 可以分得u s b 的带宽，进行数据传输。 图2 1 1 中右边虚线框中表示的是u s b 设备的结构，可分为3 个层次：u s b 总线接口、 u s b 逻辑设备、功能模块。 总线接口是最底层的物理实体，以u s b 接口控制器作为核心，是u s b 发送和接受数 据的接口。它通过电缆直接与u s b 主机交换串行数据，并可实现串行数据到并行数据的转 换。 逻辑设备基本上就是u s b 协议栈的主体。它来处理总线接口和不同端点间的数据，实 现u s b 的各种基本行为。 以上的2 部分是所有u s b 设备所共同的部分，不同u s b 设备各自的特点是通过第3 层次的功能模块来提供的。这些功能模块需要与逻辑设备交换数据，通过u s b 实现自身数 1 0 首都师范大学硕上学位论文具有主从u s b 接u 的智能化数据采集系统的接口设计i 实现 据的传输要求，各种设备的类协议功能也是在这一层实现的。 2 1 2 2u s b 的机械和电气特性 一、u s b 的机械特性涉及到u s b 的接插件和电缆的物理结构，这些内容在此不做介绍。 二、u s b 的电气特性 u s b 的电气特性包含了很多内容，这里主要讲述u s b 的电源管理特点及即插即用技术 的实现。 1 u s b 的供电模式 u s b 设备和h u b 采用2 种供电模式，即自供电( s e l f - p o w e r e d ) 和总线供电 ( b u s p o w e r e d ) 。自供电模式中，u s b 设备或者h u b 能够自己提供电源，无需从v 鼬上 提取电流。总线供电模式为耗电量小的设备提供了一种方便的连接方式，可完全从b u s 总线的v b n s 获得所需的电流。 2 低功耗的实现 u s b 供电的工作状态也被分为2 种，即正常工作( n o r m a l ) 状态和挂起( s u s p e n d ) 状态。如果总线供电设备在3 m s 内没有总线操作，即u s b 总线处于空闲状态的话，该设 备就需要自动进入挂起状态，这时这个设备的功耗是非常低的，这是u s b 低功耗的一个非 常重要的特点。在设备进入挂起状态后，可以通过唤醒( r e s u m e ) 操作来恢复到正常工作 状态。 3 即插即用技术 此技术包含2 个技术层面，即热插拔和自动识别配置。热插拔的关键技术在于电路接 插件插、拔期间强电流的处理。u s b 在电缆及接插件的设计上充分考虑了这一点，使得这 个瞬时的强电流被完全吸收，从而使u s b 设备实现了热插拔。另一个关键技术层面是系统