（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb总线的光栅位移检测系统设计.pdf

e j j 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 摘要 随着社会的发展和科学技术的进步，现代社会对位移测量的精度要求越来越高 在迅速发展的集成电路技术和计算机技术的推动下，位移检测设备也正发生巨大的变 化在此背景下，光栅位移传感器及其检测系统应运而生 光栅位移传感器是进行高精度位移测量的光电转换器，它将工作平台的位移量通 过光栅的透射转换成莫尔条纹的移动，然后经光电转换电路转换成电信号输出我们 充分利用电子技术先把该电信号调理成能被单片机容易处理的电信号，然后利用带u s b 接口的p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机强大的软硬件功能，把光栅位移传感器的位移信息通过u s b 传送给p c 机，最后利用计算机的强大运算功能和v c + + 技术把光栅位移传感器的位移量 显示出来在整个系统的设计过程中，我在导师指导下采用了比较好的光栅位移传感 器信号调理电路、最新的带u s b 接口的p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机和较为优秀的软件算法，最 终使该设计不仅抗干扰能力强，而且精度达到0 1 微米 本文在收集和分析了近年来国内外光栅位移传感器检测设备和u s b 总线方面的研 究报告、学术论文等专业资料的基础上，对u s b 总线和基于该总线的光栅位移传感器 检测系统进行了深入探讨和研究本文在以下几个方面具有创新或改进： 在亚太地区率先把带u s b 接口的p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机用于工业检测设备； 改进了光栅位移传感器的信号调理电路，使该电路不仅工作稳定可靠，抗干扰能 力强，而且能使光栅位移传感器输出的利萨如图形( i i m j i o u s l i g u e n ) 为一近似 理想圆； 提出了一种光栅位移传感器位移的计大数与计小数( 数字细分) 相互独立却又协 调一致的算法； 是较早的把u s b 2 0 协议与光栅位移传感器结合起来的设计者之一 关键词：u s b 、光栅位移传感器、信号调理、细分、p i c l 8 f 4 5 5 0 二、 # ， 歹 贵州大学硕士论文 基于u s b 总线的光册位移检测系统设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h ep m g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e a c c u r a c yo fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t si nt h em o d e r ns o c i e t ya r eb e c o m i n gm o r e d e m a n d i n g i nt h ep r o m o t i o no ft h er a p i d l yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e q u i p m e n t so fd i s p l a c e m e n td e t e c t i o na r ea l s o u n d e r g o i n gt r e m e n d o n sc h a n g e s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d , g r a t i n gd i s p l a c e m e n t s e l l s o i 瞎a n dd e t e c t i o n s y s t e m sh a v ee m e r g e d g r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o ri s ap h o t o - e l e c t r i c i t yc o n v e r t e ri n h i g h - p r e c i s i o n d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t s i tt r a n s f o r m st h ed i s p l a c e m e n to fw o r kp l a t f o r mi n t ot h e m o v e m e n to fm o i r ef r i n g e st h r o u g ht r a n s m i s s i o no fg r a t i n g , a n dt h e ne l e c t r i c a l s i g n a lw a ss e n to a tt h r o u g hp h o t o e l e c t r i c i t yc o n v e r t e r w em a k ef u l lu s eo ft h e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt oa d j u s tt h ee l e c t r i c a ls i g n a li n t ot h es i g n a lt h a tc a ne a s i l yb e h a n d l e db vm c u a n dt h e nw eu s et h ep o w e r f u lf u n c t i o n so f p i c l 8 f 4 5 5 0 ，w h i c hh a s au s bi n t e r f a c e 。t ot r a n s m i tt h ee l e c t r i c a ls i g n a lt oap c f i n a l l yw i t ht h eh e l po f p o w e r f u lc o m p u t a t i o n a lf u n c t i o n so fc o m p u t e ra n dt e c h n o l o g yo fv c + + t h e d i s p l a c e m e n to fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rw a ss h o w e d o nt h ep c t h r o u g h o u tt h e w h o l ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h i ss y s t e m , i ，u n d e rt h eg u i d a n c eo fm yi n s t r u c t o r , a d o p t ar e l a t i v e l yi d e a ls i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t so fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r , t h el a t e s t m c u ( p i c l 8 f 4 5 5 0 ) w i t hu s bi n t e r f a c e ，a n dm o r eo u t s t a n d i n gs o f t w a r ea l g o r i t h m s f i n a l l y , w em a k e t h ed e s i g nn o to n l yw i t hh i g h l ya n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , b u ta l s o w i t hh i 吐p i e c i s i o nt o0 1m i c r o m e t e r s o nt h eb a s i so fm a n yc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fr e p o r t sa n da r t i c l e sr e l a t e dt o g r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rd e t e c f i o f ie q u i p m e n ta n du s b - r e l a t e d ，t h eu s ba n d d e t e c t i o ns y s t e mo fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e do nu s ba r ed e e p l yd i s c u s s e d t h ef o l l o w i n ga s p e c t si nm yt h e s i sa r ei n n o v a t i v eo ri m p r o v e d ： i ti st a k i n gt h el e a d o fu s i n gt h em u c ( p i c l 8 f 4 5 5 0 ) w i t hu s bi n t e r f a c ef o r d e t e c t i o ne q u i p m e n ti ni n d n s t r yi nt h ea s i a - p a c i f i cr e g i o n i ti m p r o v e dt h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t so fg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r , a sa r e s u l t , n o to n t yt h ec i r c u i t sw o r k sm o r es t e a d i l y , a n dh a ss t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y , b u ta l s oi tc a na d j u s tt h es i n ew a v et h a tag r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r h a so u t p u ti n t ol i s s a j i o u s f i g u e r s t h i sf i g u r e si sas i m i l a ri d e a l sr o u n d a na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt h a tc a nn o to n l yc a l c u l a t et h el a r g en u m b e ro ft h e d i s p l a c e m e n to fag r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rb u ta l s ot h et i n yn u m b e r ( d i 酉t a l s u b d i v i s i o n ) i n d e p e n d e n t l ya n dc o o r d i n a t e i t i so n eo ft h ee a r l i e rd e s i g n e r sw h oc o m b i n et h ep r o t o c o lo fu s b 2 0w i t h g r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r s f k e y w o r d ： u s b g r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t s s u b d i v i s i o np i c l 8 f 4 5 5 0 贵州大学硕士论文 基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 第一章前言 1 1 项目背景 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是通用串行总线。最初u s b 是由c o m p a q 、d i g i t a l ，i b m 、 i n t e l 、m i c r o s o f t ，n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m ( = l t 方电信公司) 七家公司共同开发的一种新 的外设连接技术。诸家公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决p c 机外围 设备的拥挤和提高设备的传输速度 1 9 9 8 年后随着微软在w i n d o w s 9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备的日 渐增多，u s b 逐步走进了实用阶段、并以惊入的速度发展目前已从单纯的计算机外围设备 发展到各种民用，工业用的数字处理智能化装置上 u s b 作为一种新的p c 机互连协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利这种接口 适合于多种设备，不仅具有快速可靠、即插即用，支持热插拔、能为设备供电的特点，还能 同时连接多达1 2 7 个设备，解决了如资源冲突、中断请求( i r q s ) 和直接数据通道( d 姒s ) 等问题因此，越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口 随着科学技术的迅猛发展，现代社会对数据采集的要求越来越高在迅速发展的精密机 械、集成电路技术和计算机技术的推动下，数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地 位日益突出，并且实时高速数据采集的要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号 处理等一些高速，高精度的测量中，都需要进行高速数据采集现在通用的高速数据采集卡 一般多是f c i 卡或i s a 卡，这些采集卡存在很多缺点，比如安装麻烦，价格昂贵，尤其是受 计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差在实际应用中，通常会遇到一些突 发信号，需要对其进行高速采集，对数据进行高速传输，u s 8 2 0 的出现，很好地解决了上 述问题，很容易实现便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系 统的发展趋势 光栅位移传感器是进行高精度位移测量的光电转换器，它将位移微变量转换为多路光栅 信号其广泛应用于几何量测量领域，凡是与长度( 或直线位移) 测量有关的精密计量仪器 常使用光栅位移传感器，如万能工具显微镜、三坐标测量机和一些位移量同步比较的动态测 点仪器。在一些高精度机床和数控机床上也常用光栅位移传感器进行位移的测量 传统光栅位移传感器接口技术大多采用i s a 卡，它不但独占中断、i o 地址、d m a 通道 等计算机系统关键资源，容易造成资源冲突问题，而且使用时繁杂的安装配置手续也给终端 用户带来了诸多不便近年来，u s b 接口技术迅速发展，新型计算机纷纷对其提供支持 u s 8 2 0 是u s b 技术发展的最新成果，利用u s b 2 0 接口技术开发光栅位移传感器系统，不但 可以借用其差错控制机制，减轻开发人员的负担、获得高速数据传输能力，而且可以实现便 捷的机箱外即插即用特性，方便终端用户 目前普遍采用的全速u s b 2 0 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速 1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种扣除用于总线状态，控制和错误监测等的数据传输，u s b 的 最大理论传输速率仍达1 2 l 【b s 或9 6 m b s ，远高于一般的串行总线接口同时u s b 端口已 成为微机主板的标准端口，而各计算机厂家也相继推出各种键盘、鼠标、调制解调器、显示 器、打印机、扫描仪、数码相机等u s b 设备利用u s b 总线技术，开发适用于科学研究和工 业生产的光栅位移传感器系统，借以取代传统光栅位移传感器系统中的基于i s a 总线的数据 采集板卡，无疑可使数据采集过程更加高效实时，方便灵活，实现高质量、高可靠性、低成 本、多点的数据采集要求 贵阳新天光电仪表厂是贵州省的高新技术企业，为贵州省经济发展做出了突出贡献，也 是我校长期合作单位因此。受他们的委托开展此学术领域的课题研究，更具有重要的学术 价值和实际意义 1 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检铡系统设计 1 2 项目概述 光栅位移传感器是进行高精度位移测量的光电转换器，它将位移微变量转换为多路光 栅信号整个系统的下位机使用微芯公司的带u s b 接口p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机作为核心的微控 制器来控制各个功能模块。主要功能模块有模拟信号放大单元，信号比较单元、计大数单元、 d 转换单元、u s b 通信单元等下位机要求首先对光栅信号合成，消除测量中的共模干扰 信号，然后进行a d 转换，最后将转换数据通过u s b 插口送入计算机 系统的上位机主要是使用v c + + 来完成u s b 的通信，光栅位移的细分，数据的合成与 显示等。根据黑白透射式计量光栅的工作原理，位移量通过光栅的透射转换成莫尔条纹移动， 然后经光电转换成电信号输出，该电信号在主光栅与指示光栅相对移动一个条纹距离时，输 出一个完整的正弦信号这样，我们只要记录在位移中正弦信号的数量以及位移停止时最后 一个正弦信号的位置，就可以计算出位移量大小由于正弦信号的对称性，仅靠一路光电信 号不能判别位移方向，因此在相隔1 4 条纹间距的位置上还有一套光栅形成另一路莫尔条纹 信号，产生在相位上相差9 0 的余弦信号输出计算机数值处理程序，主要就是根据u s b 设备送来的正弦、余弦信号，实现信号的判相、计数和细分，计算出光栅位移长度 1 3 本文的研究内容及创新( 改进) 点 本文围绕带u s b 接口p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机开发中所采用的各种技术，包括光栅位移传感 器的工作原理，u s b 技术的现状与原理，下位机数据采集的电路设计，u s b 固件的编写， p i c 单片机程序的编写，上位机v c 程序的编写以及上位机与下位机u s b 通信协议的编写 等多方面进行了探讨全文共分七大部分 第一部分介绍了带u s b 接口p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机开发的背景，概括性的阐述了整个项 目开发的情况，最后给出了本文的内容及章节安捧 第二部分介绍了u s b 的现状、u s b 的特点、通信协议、电气特性以及描述符等。 第三部分介绍了光栅的基本知识、特点以及光栅位移传感器工作原理等。 第四部分介绍了p i c 单片机的特点、带u s b 接口p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机的特点以及它的主 要资源、开发环境等。 第五部分详细介绍了基于u s b 总线的光栅位移检测系统的硬件设计的全过程，对光栅 尺信号调理电路设计，单片机电路设计、电源电路设计、对于扰信号的处理等电路进行了详 细的阐述 第六部分详细介绍了基于u s b 总线的光栅位移检测系统的软件设计的全过程，对单片 机软件部分的设计和p c 机软件部分的设计进行了详细的阐述。 第七部分给出了本设计的结论 本文在以下几个方面具有创新或改进： 在亚太地区率先把带u s b 接口的p i c l 8 f 4 5 5 0 单片机用于工业检测设备； 改进了光栅位移传感器的信号调理电路，使该电路不仅工作稳定可靠、抗干扰能 力强，而且能使光栅位移传感器输出的利萨如图形( l l s s a j i o u s f i g u e r s ) 为一近似 理想圆； 提出了一种光栅位移传感器位移的计大数与计小数( 数字细分) 相互独立却又协 调一致的算法； 是较早的把u s b 2 0 协议与光栅位移传感器结合起来的设计者之一 2 贵州大学硕士论文 基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 第二章。通用串行总线 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) 是外围设备与计算机进行连接的新型接 口，最早是由c o m p a q 、d i g i t a le q u i p m e n t 、i b m 、l u c e n t 、n e c 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n o r t h e r n t e l e c c m 七家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的，其目的是用u s b 来取代p c 现有的各种外围 接口，使外围设备的连接具有单一化、即插即用，热插拔等特点它的出现大大简化了p c 机和外围设备的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更加容易可以说，u s b 是计算机外围 设备连接技术的重大变革 2 1u s b 的发展简史 1 2 】 在早期，计算机系统上常用串口或并口来联接外围设备，每个接口都需要占用计算机的 系统资源，如中断、i o 、b m a 通道等等无论是串口还是并口，都是点对点的连接，一个 接口仅支持一个设备，因此每添加一个新的设备，就需要添加一个i s a e i s a 或p c i 卡来支 持同时，计算机需要重新启动才能驱动新的设备 随着计算机应用的不断拓展，p c 机的外设越来越多为了克服串、并口的上述缺点， 1 9 9 4 年1 1 月，c o m p a q ( 康柏) 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、i b m 、n e c 、d e c 以及n o r t h e r n t e l e c o m ( 北 方电i r ) 七个计算机与通信工业领先的公司所组成的联盟共同开发了u s b 总线。同年，该联 盟建立了实施者论坛( u s p i f ) 来加速u s b 标准的高质量兼容设备的开发 1 9 9 6 年，u s b 公布了u s b 规范1 0 ，这是第一个为所有的u s b 产品提出设计请求 的标准1 9 9 8 年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上，发布了u s b 标准 的1 1 规范( 注：去年u s b 协会重新命名了u s b 标准：将原先的u s b1 1 改成了u s b2 0f u l l s p e e d ( 全速版) ，同时将现有的u s b2 0 改成了u s b2 0h i g “s p e e d ( 高速版) ，并同时公 布了新的标识，以下是按新标准命名) 而此时联盟仅剩四个核心的成员公司，它们是 c o m p a q h l 试、m i c r o s o f t 和n e e 公司由于u s b 的方向已偏离了通信的相关领域，使得 m m 和n o h e mt c l e c o m 退出了该联盟这样，也造成了目前应用于电话的u s b 设备的发 展仍然稍嫌缓慢一些 第三个版本的全速u s b2 0 发布于1 9 9 9 年。此时，h e w l e t tp a c k a r d 、p h i l i p s 和l u c e n t 三个公司加入了u s b - i f 联盟，使得联盟的核心成员数重新又恢复为七个之后，随着u s b 的普及与推广，u s b 的成员一直持续不断地增加，如今已是非常庞大的推广组织了 后来，随着科技的发展，竞争的加剧，u s b - i f 又在2 0 0 0 年推出高速u s b 2 0 ，并在随后 相继推出u s b - o t g ( u o n - t h e - g o ) 和朋s b ( 无线u s b ) 规范 2 1 。lu s b1 0 u s b1 0 的接口设备采用的低度( l o w s p e e d ) 1 5 m b p s ，这种技术主要应用于人机接口 ( t l i d ) 上。例如：鼠标、键盘、输入笔、游戏外设，虚拟现实设备等。它仅支持中断传输 和控制传输两种传输方式且低速u s b 电缆最长为3 米但是它却具有价格低廉、易于使用， 热插拔等特性，所以这种技术在刚出现的时候还是在计算机界引起了较大的轰动，以至于现 在运用u s b i 0 这种技术的接口设备仍占据u s b 设备的一部分市场 2 1 2 全速u s b2 0 全速( f u l ls p e e d ) u s b 2 0 的接口设备的数据传输速度是1 2 m b p s ，它现在主要应用于移动 存储器( u 盘) 、摄像头以及其它的一些工业设备的嵌入式系统等等。中断传输、控制传输、 同步传输和批量传输这四种u s b 的传输方式它都支持，而且全速u s b 2 0 的电缆最长可以达 到5 米。本课题设计所采用的就是这种全速u s n 2 0 技术 2 1 3 高速u s b 2 o 在u s b 接口设备不断地被广泛应用后，许多的设备，如视频会议的c c d 、移动硬盘、光 盘刻录机、扫描仪、卡片阅读机便成为u s b 接口非常广泛的应用市场上许多早期应用的 3 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 u s b 产品是视频会议专用的c c d 而u s b 即插即用的特点使得这些c c d 易于安装与使用然 而，若要在p c 的屏幕上获得高分辨率的图像，则需要c a d 输出大量的影像数据。像上述的 产品都需要作连续大量数据传输，也即是需要非常高速的传输若同时将此类设备连接到 p c 机上，的确使u s b 技术面临考验但高速u s b2 0 的高传输速度却能有效地解决目前建 置于v 1 0 及v 2 0 版上设备的传输瓶颈 高速u s b2 0 的传输速度最高可以达到4 8 0 m b p s ，若要传送1 g b 的数据，在换算后也仅 需在1 分钟之内就可以传输完毕这不但是目前i i s b2 0 版的4 0 倍，而且也高过于目前另 一种传输接口i 哪! 3 9 4 的4 0 0 1 m p s 另外，高速u s b2 0 不但与全速u s b2 0 一样，具有向下兼容的特性，同样最高可以连 接1 2 7 个设各更重要的是，在连接端口扩充的同时，各种采用高速u s b 2 0 的设备仍可以 维持d 8 0 m b p s 的最高传输速度另外，高速u s b2 0 也同样支持了即插即用功能在高速 u s b2 0 规范制定出来后，目前u s b 接口c d - r o i 光驱读取速度所造成的限制，到时也可以 迎刃而解当然，目前已普遍采用u s b 接口的打印机、扫描仪等计算机外围设备，未来也将 可以有更快的传输速度 2 1 4 u s b - o t g 4 7 f 4 9 】 在i n t e l 的大力推广下，u s b 接口的普及程度已相当广泛，如今几乎已经成为了数码设 备的标准接口，小到u 盘、m p 3 ，大到数码相机、打印机，u s b 接口的身影几乎无处不在 但是在以前的u s b 世界中，p c 是不可或缺的主宰者，因为离开了p c ，数码设备之间便失 去了一座连接的桥梁而随着技术的发展，新推出的数码相机和打印机使用了一种被称为 p i c t b r i d g e 的技术来实现直接连接和打印，p c 的特权地位被逐渐剥夺，但美中不足的是 p i c t b r i d g e 只能够实现数码相机到打印机的连接，无法实现全部数码设备的直接连接好在 作为p i c t b r i ：d g e 技术的延伸，u s bi m p l e m e n t e mf o r u m 公布了u s b o t g ( 英文u s b o n - t h e - g o 的缩写) 技术，应用于在彻底脱离p c 的情况下实现各种数码设备间的数据传 送凭借这一技术，我们可以把数码相机直接连接到打印机上打印照片，还可以进行数码相 机稿iu 盘或移动硬盘的直接连接，实现照片的移动或拷贝操作，而这一切则完全不需要p c 的参与 u s b - o t g 实际上是u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m 组织对于传统u s b 接口的一个追加协 议，最新版本的u s b 0 1 g 便是直接建立在u s b2 0 基础之上的它修改了u s b 接口的针 脚定义和接口外形，使得厂商可以根据需要将各种数码设备定义为。主机端。，。设备端”或具 有双重身份的角色，这样数码设备便可以适时地变换身份，从而实现彼此之间的直接连接。 提到u s & 0 1 g 产品，我们就不得不提到总部位于美国加利福尼亚的t r a n s d i m e n s i o n 公司，作为一家提供u s b 整体解决方案的提供商，它在u s b 嵌入式应用领域中处于领导 卉地能凭借在u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m 中的重要地位以及高通、摩托罗拉、n e c 、佳 能筲众多知名客户，t r a n s d i m e n s i o n 一直致力于推动u s b 业界规范及产品的发展。其不 久前通过u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m 认证的第二代u s b o t g 产品与第一代产品相比，控 制器在 7 省芯片资源以及降低功耗方面均得到了进一步改进，从而推动了u s 良0 1 g 产品 的发展从t r a n s d i m e n s i o n 公司的r o a d m a p 来看，从u s b 到u s b o t g 需要一个过渡 时期，为区别出。主机端1 和。设备端。的不同接口，u s b o t g 对不同身份接口的颜色进行了 定义：- 主机端”接口为白色，。设备端梭口为黑色，具有双重身份的接口为灰色，这样，不 同用途的接口便可以轻易识别出来 2 1 5w u s b 目前，u s b 技术已经成为p c 问普遍流行的技术标准，而且也逐渐被用到消费电子。 移动终端中现在，w u s b 这个高速有效的连接接口的诞生是为了消去电缆的负担，以加 强u s b 所不具有的功能。 4 贵州大学硕士论文 基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 2 0 0 4 年春季i n t e l 技术峰会( 美国) 上。无线u s b 促进联盟宣布成立。这个联盟包括 7 家有相当实力的业界巨擎：a g e r es y = e m s ，惠普，英特尔，微软，n e c ，飞利浦半导体 和韩国三星。这个联盟的每个成员都被授权可以制订w u s b 的详细规格在详细规格上， 已经达成共识的是每秒4 8 0 m b 的传输速率，这一规格和有线的u s b2 0 设备闻高速传输规 格维持一致从这方面来看，w u s b 技术在很多方面都可以从比较成熟的高速u s b 上移 植过来。 2 2u s b 的特点( 不包括u s b o t g 和和s b ) 2 2 1u s b 的优点： 5 3 6 i - t 将外部设备连接到计算机上时，u s b 接口是优先的选择。不管是使用外围设备的用户， 或是开发u s b 软硬件的设计者，u s b 都有让双方满意的特性 从客户端的观点来看。u s b 的优点是使用简单、应用范围广，具有较强的纠错能力，低 成本、低能耗，以及具有强大的外设连接能力 ， ( 1 ) 使用简单 所有u s b 系统的接口一致，连线简单系统可对设备进行自动检测和配置，支持熟插拔 新添加设备系统与主机相连时，u s b 控制器可自动地识别所有的u s b 设备，并对设备进行配 置这意味着不需要重新启动主机，即可动态完成对外设的配置，因此u s b 具有即插即用 ( p l u ga n dp l a y ) 的特性。 ( 2 )应用范围广 u s b 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传 输方式u s b 设备的带宽可从几k b p s 到几m b p s ( 在u s b2 0 版本，最高可达4 8 0m b p s ) 一 个u s b 系统可同时支持不同速率的设备。如低速的键盘，鼠标，全速的i s d n 、语音，高速 的磁盘、图像等( 仅u s b2 0 版本支持高速设备) ( 3 ) 较强的纠错能力 u s b 系统可实时地管理设备插拔。在u s b 协议中包含了传输错误管理，错误恢复等功能。 同时根据不同的传输类型来处理传输错误在中高速数据传输过程中，数据容易受外界干扰 而出错，u s b 协议规定在每个数据包中加入c r c 检验，通过校验算法检测传输过程中出现的 差错，并通过纠错算法尽可能地恢复出错数据 ( 4 ) 总线供电 u s b 总线可为连接在其上的设备提供5 1 r 电压z 0 0 m a 电流的供电，最大可提供5 0 0 m a 的 电流u s b 设备也可采用自供电方式，或者两者结合的方式 ( 5 ) 低成本 u s b 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。u s b 系统接r ：z 电缆也比较简单，成本 比巾n l 口低。 ( 6 ) 低能牦 u s b 外围设备处在待机状态的时候，会自动启动省电的功能来降低耗电量当要使用设 各时，又会自动恢复原来的状态在使用电池来驱动的计算机系统上，这个省电特性特别有 用 ( 7 ) 强大的外设连接能力 一个u s b 系统能够以菊链( d a i s y - c h a i n i n g ) 的形式将多个外设连接到同一系统上。最 多可支持1 2 7 个物理设备，且各种外设均采用同一的u s b 接口标准的连接器，这极大的简化 了安装过程 2 2 2 u s b 的缺点 从用户的角度来看，u s b 的缺点是缺乏对旧的设备与操作系统的支持，还有电缆长度的 限制等 5 ， r 一 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 ( 1 ) 缺乏对旧硬件的支持 旧的计算机与外围设备，都没有u s b 连接端口。如果要将一个非u s b 设备连接到u s b 连接端口上，就必须使用转换器如果要将一个u s b 设备连接到不支持u s b 的p c 上，必须 在该p c 上加上u s b 的功能要在p 1 c 上加上u s b 的功能，就需要有u s b 的主机控制器硬件， 以及支持u s b 的操作系统支持u s b 的操作系统，则需要w i n d o w s 船或是以后的版本另 外要考虑的是，即使在最新的操作系统上，有些应用程序仍然会在旧的操作系统，例如 1 4 s - d o s 上执行由于与u s b 设备沟通的驱动程序只能在w i n d o w s 上执行，所以在m s - d o s 上 执行的应用程序就不能够存取u s b 设备虽然可能会有煅一d o s 的特定驱动程序，不过真正 提供的只有少数的外围设备对一些标准的外围设备，例如键盘与鼠标，系统的b 1 0 s 可能 会提供新版与旧版的支持如果b 1 0 s 不支持，系统就需要有一个旧式的键盘接口和键盘 ( 2 ) 点对点的通信 在u s b 的系统上，是由一个主计算机来管理所有的通信。外围设备不能够直接彼此沟通， 必须通过主计算机才可以其他的接口( 如i e 既一1 3 9 4 ) ，则允许外围设备直接与外围设备 通信 ( 3 ) 距离的限制 u s b 虽然是设计使用在台式计算机上，不过其预期与外围设备的距离则是相当短，电缆 长度最长可以到5 m 远其他的接口，例如l ：s 一2 3 2 ，r s - 4 8 5 ，以及e t h e r n e t 等，则允许使 用更长的电缆。 ( 4 ) u s b 设备的价格都比较昂贵 2 2 3 与其他总线的比较 3 p c i 总线虽具有较高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) 。且支持。即插即用”功能，但其缺点是 插拔麻烦，且扩展槽有限( 一般为5 6 个) i s a 总线显然存在着同样的问题r s - 2 3 2 c 串行总线虽然连接简单，但其缺点是传输速度慢( 5 6 k b p s ) ，且主机的串行口数目有限 相对而言，u s b 的主要对手是i e e e l 3 9 4 ( 苹果公司为代表的公司设置的规范) u s b 与i e 既1 3 9 4 串行接口具备以下共同特点： 1 信号线条数少，可通用细而柔的轻便电缆。 2 电缆细软导致可用小巧的连接器 3 不需要标识符i d 设备和终端设定 4 在不切断电流的情况下，可自由的向系统里接入设备或切断设备连接( 即热插拔，h o t p l u g ) 5 同步传输模式可保证图像等数据行显示不问断，提高画面质量和确保实时播放 6 采j f j 低摆幅信号差动传送，抗共模干扰能力强，信号线少，干扰相应减少。 表2 1 为i e e e l 3 9 4 与u s b 的比较。 表2 1i e e e l 3 9 4 与u s b 比较表 接口名称i e e e l 3 9 4 u s b l 1 2 0 连接的节点数6 31 2 7 支持等时传精支持支持 传输的数据速度1 0 0 4 0 0 m b p s 1 2 b b p s 4 8 0 m b p s 节点之问的最大距离 4 5 s5 m 总线问的仲裁功能所有节点的控制器i c 点对点只有主机控制器i c 点对p c 主机 每一封包所送出的数据5 1 2 字节2 5 6 字节 缆线所舍的芯线数2 对信号线、2 条电源线1 对信号线、2 条电源线 采用的编码方式 璐l i n k n r z i 6 ， 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 作为与u s b 2 0 接口外形类似的i e 髓1 3 9 4 新一代多媒体p c 机外设接口，较之u s b 2 0 有着适用领域的区别u s b2 0 目前更适合用于连接那些对传输速度要求不高的p c 设备，而 i e e e l 3 9 4 接口的特点似乎更适合于连接高速外设和信息家电设备从性能方面分析。u s b 2 0 下一步的应用程度很大方面会局限于p c 机领域，而i e e e l 3 9 4 的应用领域将扩展到通信 和信息家电，。火线”用一根缆线就可以大量传输动画、声音和数据信息，势必给我们这些 普通家庭消费者带来极大的方便，对于移动办公用户来说，火线产品带来的便携性能更是物 超所值特别是下一步随着高速数据通信网络的开通，i e e e l 3 9 4 连接的家庭网络势必会同 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、有线电视网和数字化电视广播网等沟通，使 每个用户家庭享受到高速数据通信的服务。前途无可限量。 2 3u s b 接口的电气特性 4 u s b 通过一个四线电缆来传输信号与电源，如图2 - 1 所示 v d 秘 a v 轴 o d - 硎。 图2 - 1u s b 电缆 图2 - 1 中呈现了设备与主机之间的电气特性的连接除了v c c 与接地线以外，需要注意的 是d + 与d - 的差分数据信号线首先，在连接至u s b 收发器之前必须先串接2 9 4 4 欧的电 阻而后根据不同的u s b 设备的传输速度改变设备提升端的提升电阻的位置对于全速设 备( 1 2 m b s ) ，就将提升电阻接至n + 信号线与电源线之间的位置。如果是慢速设备( 1 5 蛐s ) ， 就将提升电阻接至d - 信号线与电源线之间的位置最后，d + 与d - 2 条信号线在主机的根集 线器端同时接上1 5 k 的下拉电阻并接至接地端那么整个主机与设备之间的电气特性的运 作是怎样进行的呢? 首先，在设备未连接至主机之前，由于，d + 与胪两条信号线因为下拉 电阻的关系，几乎都视为接地，但是若有一个设备刚连上时。提升电阻( 1 5 k ) 与下拉电阻 ( 1 5 k ) 就会形成一个分压器。因此，其中一条数据信号线( d + 或p ) 的电位将被提升至电 源的9 0 左右此时，当主机测知到一条数据信号线趋近于v c c 时，而另外一条仍维持接 地状态时就可确定有一设备已经连上了当d + 或d - 信号超过2 ，o v 达2 5 u s 以上时，集 线器可以确认设备已经连接上了若d + 或州言号低于0 8 v 达2 5 u s 以上时，集线器可 以确认设备已经脱离了 2 4u s b 系统的拓扑结构【4 9 个u s b 系统包含三个主要部分：u s b 主机( 吣b i o s t ) 、u s b 设备( u s bd e v i c e ) 、 u s b 集线器( u s b i u b ) ，u s b 系统的拓扑结构如图2 - 2 所示。 图2 2拓扑结构 7 ， 贵州大学硕士论文基于u s b 总线的光栅位移检测系统设计 ( 1 ) u s b i o s t 在一个u s b 系统中，当且仅当有一个u s bh o s t 时，u s bh o s t 有以下功能： 管理u s b 系统 每毫秒产生一帧数据 发送配置请求对u s b 设备进行配置操作 对总线上的错误进行管理和恢复 ( 2 ) u s bd e v i c e 在一个u s b 系统中，u s bd e v i c e 和u s b 哪总数不能超过1 2 7 个 u s bd 吖i c e 接 收u s b 总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包若地址 不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应u s bh o s t 进行数据传输。 依照目前u s b 产品的规范，可以将u s b 设备分为以下三种类型： 低速设备( 1 0 w - s p e e dd e v i c e s ) ：如键盘，鼠标等设备这些设备的传输速率最高为 l5 枷o p s 除了