（检测技术与自动化装置专业论文）usb通信技术在测控领域中的应用.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 工业上基于p c 的测控系统，其结构通常有两种：一是采用插卡的形式，即将功能卡 插入p c 机的扩展插槽，利用系统总线与p c 实现通讯；二是外置嵌入式模块的形式，p c 实现人机交互以及数据处理、存储、打印功能，嵌入式模块则实现实时数据采集，并通过 通用接口与p c 进行数据传输u s b 作为一种新型的p c 机接口，由于其高传输速率、支持 熟插拔，使用方便，易于扩展等一系列优点，从而得到了广泛的应用但u s b 作为串行 技术接口，也有自身的缺点t 传输距离短、抗电磁干扰能力较差为此我们利用电火花 成型磨削设备及电工绝缘材料耐电压击穿设备研制平台来进行实验，希望找到一种方法 发挥u s b 接口的优点，克服传输距离短和抗干扰能力差的缺点，实现将u s b 技术应用在 测控领域，尤其是强电磁干扰的环境基于此，我们开展了这方面的研究工作； l 、完成主控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 、u s b 接口芯片c h 3 7 5 和其它辅助电路的硬件电路设计； 2 、完成u s b 控制模块的固件编写，实现u s b 的主从机两种工作模式的动态切换， 既能作为从设备与p c 机进行全速的数据通讯；又能作为主设备读写外部存储设 备( u 盘) ，实现将采集到的数据以文件的形式保存到u 盘； 3 、实现了u s b 设备驱动程序和上位机应用程序的设计和开发； 4 、进行了电火花电磁干扰模拟实验，提出了光多f + u s b 的抗干扰的方案，试探地解 决u s b 用在工业测控领域抗强电磁干扰的难题 5 ，编写相应的c 5 1 程序，对t i s b 控制模块电路进行了调试，实现u s b 控制模块主要 功能 通过对u s b 数据传输进行电磁干扰模拟实验，从得到的实验数据可证实了在强电磁干 扰环境下对u s b 传输进行抗干扰处理的必要性和u s b + 光纤转换传输抗干扰方案的可行性 通过年多的研究工作，基本实现了 u s b 技术在测控领域的应用，并试探地解决了将u s b 应用在强电磁环境下，并提出了有效的u s b 抗干扰方案这将有力地促进u s b 技术在测控 领域的应用 关键词：u s b = c h 3 7 5 ；测控系统；抗干扰；固件程序设计； 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a lp c - b a s c dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi su s e dm a i n l yi nt w of o r m s ：t h e f i r s tf o r mi st h ep l u g - i nc a r d , i n s e r t e di n t op cc x p a n s i o n u r ys l o t ，c o m m u n i c a t i n gw i t hp cb y s y s t e mb u s ；t h es e c o n d f o r mi se m b e d d e dm o d u l e w h i l ep cr e a l i z ei n t e r a c t i v ep r o c e s s i n g , d a t a p r o c e s s i n g , s t o r a g ea n dp r i n t i n gf u n c t i o n s , t h ee m b e d d e dm o d u l eg e t r e a l - t i m ed a t aa n d t r a n s m i td a t aw i t hp ct h r o u g ht h ec o 由a m o ni n t e r f a c e a san e wp ci n t e r f a c e , t h e v 锄斌 s e r i a lb u sh a sas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g ht r a n s m i s s i o nr a t e s , s u p p o r t i n gp l u ga n d p l a y , e a s yt ou s ea n de x p a n d , c h e a pc o s t , s oi ti sw i d e l yu s e d b u ta sa s e r i a li n t e r f a c e ，u s ba l s o h a si t so w nd r a w b a c k s ：s h 咖t r a n s m j s s i o nd i s t a n c e , p o o ra n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t i e s w eu s et h i se l e c t r i cs p a r k l ep r o c e s s i n ga n dg r i n ds h a p i n ge q u i p m e n ta n d m a t e r i a l e l e c t r i c a li n s u l a t i o ne q u i p m e n ta se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，h o p i n gt of i n daw a yt op l a yt h e a d v a n t a g eo fu s ba n do v g r c o l n e i t ss h o r t c o m i n g sa n dp 0 0 1 rp e r f o r m a n c eo fa n t i - i n t e r f e r e n c e s ot h a tw ec a n u s cu s bi nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 。e s p e c i a l l yt h es t r o n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t f o rt h i sr e a s o n , w eh a v ec a r r i e do u tn 嘱e a r c hi nt h i s a r e a ： 1 、c o m p l e t e d t h ec i r c u i td e s i g no f m a i n _ c o n t r o lc 8 0 5 1 f 0 2 0 、u s bi n t e r f a c ec h i pc h 3 7 5 a n do t h e ra u x i l i a r yh a r d w a r e ； 2 、f i n i s h e du s b 矗r m w a r ed e s i g n , m a k i n gu s bm o d u l ea b l et os w i t c hb e t w e e nm a s t e r a n ds l a v em o d ed y n a m i c a l l y , t r a n s m i td a t aw i t hp ca sas l a v ed e v i c e ，a l s oc a nr e a da n dw r i t e e x t e r n a ls t o r a g ee q u i p m e n t ( ud i s 的勰am a s t e rd e v i c e 3 、f i n i s h e dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h eu s bd e v i c ed r i v e ra n dp ca p p l i c a t i o n p r o g r a m ； 4 、c a r r i e do u tt h es i m u l a t i o nt e s to fe l i 圮 t l i cs p a r k l ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e , p r o p o s i n go p t i c a l 丘b e r + u s bs o l u t i o nt ou s i n gu s b i nt h es t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n l 5 、p r o g r a m m e dc 5 1p r o g r a m , d e b u g g e dt h eu s bc o n t r o lm o l u l ea n di m p l e m e n t e dt h em a i n f u n c t i o n so ft h eu s bc o n t r o lm o d u l e b ys i m u l a t i o n t e s to fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef o ru s bd a t at r a n s m i s s i o n , t h e n e c e s s i t yo fa n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef o ru s b d a t at r a n s m i s s i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo f u s b + o p t i c a lf i b e rs o l u t i o nh a v eb e e np r o v e d a f t e rn e a r l yay e a ro fr e s e a r c h ，a c h i e v e du s i n g t h eu s bt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 。u s ba p p l i c a t i o nu s e di n s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tw a sr e s o l v e da n da ne f f e c t i v ea n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d w a sp r o p o s e d 啊迟w me f f e c t i v e l yp r o m o t eu s bt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ；c h 3 7 5 ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；a n t i - i n t e r f e r e n c e ；丘i l n w a r ed e s i g n 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在蒋存波教授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，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了 谢意。 学位论文作者( 签字) ； 签字日期： 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容( 保密论文在解密后遵 守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字：理互垄丑2 垒二 签字吼- 舭 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 工业上基于p c 的测控系统，其结构通常有两种：一是采用插卡的形式，即将功能卡 插入p c 机的扩展插槽，利用系统总线实现通讯，其能方便的实现用户接口与主机系统的 通讯，但总线接口复杂，硬件接口开发难度大；二是外置嵌入式模块的形式，p c 实现人 机交互以及数据处理、存储、打印功能，嵌入式模块则实现实时数据采集，并通过通用接 口与p c 进行数据传输通用接口主要有r s 2 3 2 口、并口、以太网口和u s b 接口r s 2 3 2 口、并口由于其传输速率低，限制了它们的应用和发展以太网口高速，但其协议复杂， 开发难度较大u s b 作为一种新型的、p c 机的标配接口，由于其高传输速率、支持热插 拔，占用资源少，备受青睐 但u s b 作为串行技术接口，也有自身的缺点：传输距离短，自身抗干扰能力较差 为此我们探讨将u s b 技术应用在测控领域特别是工业现场等强电磁干扰环境下的可能性， 利用电火花成型磨削设备( 广西科技攻关。c n c 精密成型磨削设备数控技术研发”项目) 及电工绝缘材料耐电压击穿设备研制平台来进行实验，希望找到种方法发挥u s b 接口 的优点，克服传输距离短和抗干扰能力差的缺点，实现将u s b 技术应用在测控领域，尤 其是强电磁干扰的环境 电火花成型磨削设备是通过高速旋转的磨轮电极与工件问几十到数百安培的脉冲性 火花放电来实现对工件的加工“。，绝缘材料电压击穿性能测试仪则使用从几千到几百千 伏的高压放电对材料进行测试这两种放电方式给设备的控制回路带来了高频的强电磁 干扰，极大地影响了数据的正确传输如何解决u s b 技术应用在强电磁干扰环境是本课 题的关键。 1 1 本选题有关的研究方向的历史、现状和发展情况分析 u s b 作为一种新的通用串行总线标准，具有数据传输速率高、使用方便等特点有许 多单位、学者和工程师都在探讨将u s b 应用于工业测控领域，进行了这方面的技术研究 工作，并取得了一定的成果。 美国n i 公司结合主导产品l a b v i e w ( 虚拟仪器) ，开发以u s b 技术为主体的数据采集 系统，已研发出一系列的u s b 数据采集产品，并推向市场，取得了很好的效果，如n i u s b 一6 0 0 9 数据采集模块，其具有1 6 个模拟和数字信号输入接口，将采集的数据通过u s b 接口上传到p c ，极大的方便了对l a b v i e w 软件的二次开发和应用。 北京宝创源科技有限公司的生产出系列u s b 数据采集卡，如u s b 2 0 1 0 型号，其具有 1 2 位单端3 2 通道双端1 6 通道1 0 0 ka d 卡，硬件增益i 1 0 0 0 可选，o l o v 、5 v 、 桂林工学院硕士学位论文 1 0 r 输入可选，开关量输入、输出各1 6 路“ 南京航空航天大学胡细东同学在游有鹏教授指导开发的数控系统，利用了p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 ( u s b i 1 ) 来实现w i n d o w s 2 0 0 0 平台的“p c + u s b + 精插补 控制器”这种基于p c 的开放式数控系统体系结构 西南石油学院郭静同学在导师王章瑞副教授指导下，开发了基于c y g n a l 公司内置 u s b 接口的高性能微控制器芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 的便携式多路数据采集系统”1 大连理工大学王永辉同学在导师孟华副教授指导下。将u s b 技术应用在精密测量领 域中的光栅尺测量传感器，实现了高速的数据采集 由此可见u s b 技术已应用在测控领域许多场合，但u s b 应用在电火花加工和耐电压 场合等强电磁干扰环境下的资料和相关产品还没查阅到，所以我们以电火花加工设备和 绝缘材料耐电压击穿设备研制平台来进行实验，探讨将u s b 技术用在这种场合，试探进 行u s b 技术在强电磁干扰下的应用研究 1 2 系统实现方案 本系统的硬件模块包括多路数据采集模块、微控制器、u s b 通讯接口、光纤收发模块、 u s b 光纤转换模块等硬件总体结构框图如下图所示： 匿1 1 硬件总体结构框目 微控制器采用c y g n a l ( 新华龙) 公司的混合信号片上系统单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，a d 转换器采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 内置的a d c o ，u s b 接口芯片采用的是南京沁恒公司的c h 3 7 5 a ，抗 干扰采用光纤+ u s b 传输来解决 系统设计中的重点技术在于以下几点： 硬件电路设计。这要熟悉c 8 0 5 1 f 0 2 0 的使用和功能寄存器配置、u s b 接口芯片c h 3 7 5 的硬件电路； 设备周件的编写，设备固件除了要完成对系统控制的功能外，还要控制u s b 通信 2 桂林工学院硕士学位论文 接口芯片实现u s b 协议传输和读写u 盘，这要求设计者不仅要熟悉u s b 协议，数 据帧的传输，数据校验，还要熟悉u 盘的f l a s h 存储结构和f a t 文件系统； 一驱动程序的开发，开发驱动程序需要对w 1 ) g 架构和系统内核有较深入的理解，还 要对v c + + 、d d k 、s o f t i c e 等工具软件比较精通；主机端应用程序设计，要对、b 编程和w i n d o w s 的a p i 有深入的了解； 一抗干扰模块采用光纤+ u s b 转换方式，这要求对协议信号转换处理、光纤传输有一 定的理解 本论文u s b 模块程序还没完全嵌入到嵌入式控制系统，其程序设计仅仅是针对u s b 传输部分，如要实现嵌入到嵌入式控制系统，可用中断服务程序或子程序形式实现调用 程序设计包括u s b 设备固件、设备驱动程序、主机端应用程序三部分利用单片机c 5 1 语言进行设备固件编写( k e i lu v i s i o n 2 和s i l i c o nl a b o r a t o r i e s i d e 调试) 、用v c + + 和w i n d o w sd d k 开发设备驱动程序( s o f t i c e 工具调试) 、主机端应用程序开发软件采用 v c + + 6 0 、1 i ，b 编写 1 3 本人主要工作 围绕此课题，本人主要做了以下工作： 深入学习了u s b 接口技术的基础理论，对u s b 总线的开发技术有了较全面的了解： 完成主控制器c 8 0 5 l f 0 2 0 、u s b 接口芯片c h 3 7 5 和其它辅助电路的硬件电路的设计； 完成u s b 控制模块的固件编写，实现u s b 的主从机两种工作模式的动态切换，既 能作为从设备与p c 机进行全速的数据通讯；又能作为主设备读写外部存储设备( u 盘) ，实现将采集到的数据以文件的形式保存到u 盘； 一实现了u s b 设备驱动程序和上位机应用程序的设计和开发； 进行了电火花电磁干扰模拟实验，提出了光纤+ u s b 的抗干扰的方案，试探地解决 u s b 用在工业测控领域抗强电磁干扰的难题 编写相应的c 5 1 程序，对u s b 控制模块电路进行了调试，实现u s b 控制模块主要 功能。 1 4 论文的组织 本论文的研究重点在于硬件电路设计、设备固件的编写( u s b 主从机) 、驱动程序的 和p c 应用程序的开发综上所述，本文的组织如下，全文共分九章： 第一章绪论。主要介绍了本课题来源；u s b 在测控领域的历史、发展方向；系统实 现的方案和技术重点；本人主要的工作等内容。 第二章u s b 技术概述。主要介绍u s b 总线结构、电气特性和数据传输方式等与u s b 3 桂林工学院硕士学位论文 设备开发的相关技术知识。 第三章系统硬件电路设计。简略介绍了主控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 和u s b 接口芯片c h 3 7 5 ， 并对u s b 控制模块主电路、u s b 接口芯片电路、其他辅助电路等进行了详细的说明。 第四章u s b 固件程序设计主要介绍了m c uc 8 0 5 1 f 0 2 0 和u s b 芯片的初始化配置、 u s b 的从设备模式( 与上位机p c 通讯) 和主设备模式( 读写u 盘) 的固件程序设计，并 针对本数控系统的具体要求，对数据传输帧进行了具体的定义 第五章u s b 驱动程序设计主要介绍了耶m 、u s b 驱动程序体系结构、w d m 驱动程 序的主要功能模块、w i n 2 kd d k 驱动编译、s o f t i c e 驱动调试等进行了详细的论述 第六章p c 应用程序的设计首先介绍了上位机应用程序主要a p i 例程；在上位机上 开发了测试软件，并对u s b 模块进行了数据传输测试，得到了相关的实验数据；最后针 对电火花加工系统的应用程序的开发，数据帧的接收和数据信息提取、校验，、r b 应用程 序开发中的u s b 通讯编程进行了详细的描述 第七章数据传输抗干扰模块首先介绍了系统的电磁干扰的模型，对光纤+ u s b 协议 转换模块的硬件电路和程序设计进行了详细说明，并对u s b 控制模块进行了电火花模拟 实验，证实了u s b 抗强电磁干扰的可行性 第八章系统程序调试结合在u s b 测控模块开发过程中的一些经验，对程序调试过 程中一些关键点和特殊注意点进行了解说，以供相关技术人员参考，并给出了u s b 测控 模块的实际硬件调试图片 第九章总结与展望对本论文所做的工作进行了总结，并就今后的工作提出了更高 的要求和展望 4 桂林工学院硕士学位论文 第2 章u s b 技术概述 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 ) 是近年来应用于p c 领域的一种新型接口 技术，是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有限的 主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。现在生产的p c 机几乎都配备 了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 8 ，2 0 0 0 ，x p 以及m a c o s ，l i n u x ，f r e e b s d 等流行操 作系统都提供了对u s b 的支持为了开发一个u s b 设备，首先必须理解u s b 协议规范， 而u s b 协议规范复杂而庞大，开发一个u s b 设备并不需要通读整个协议本章将简介开 发一个u s b 设备的有关知识，它是对u s b 协议的简化，详细内容可参考协议本身。 2 。1u s b 技术的简介 u s b ，全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是在1 9 9 4 年底由c o m p a q ， i n t e l 。m i c r o s o f t ，n e c 等七家公司联合提出的从1 9 9 4 年1 1 月1 1 日发表了u s bv o 7 版本以后，u s b 版本经历了这几年的发展，到现在已经发展为u s b0 r r g 和u s bw i r e l e s s 的版本”1 u s b 规范中将u s b 分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、u s b 芯片驱动程序、u s b 设备以及针对不同u s b 设备的客户驱动程序 控制器( h o s tc o n t r o l l e r ) 主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令 控制器驱动程序( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) 在控制器与u s b 设备之间建立通信信 道 一u s b 芯片驱动程序( u s bd r i v e r ) 提供对u s b 的支持。 u s b 设备( u s bd e v i c e ) 包括与p c 相连的u s b 外围设备，分为两类：一类设备本身 可再连接其它u s b 外围设备；另一类设备本身不可再连接其它外围设备。前者称 为集线器( h u b ) ，后者称为设备( f u n c t i o n ) 设备驱动程序( c l i e n td r i v e rs o f t w a r e ) 就是用来驱动u s b 设备的程序，通常由 操作系统或u s b 设备制造商提供 随着大量的支持u s b 的个人电脑的普及以及w i n d o w s 系列操作系统的广泛应用，u s b 逐步成为p c 机的一个标准接口已经是大势所趋。最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b 。 另一方面，使用u s b 接口的设备也在以惊人的速度发展。u s b 接口相对r s 2 3 2 接口的优势 在于： 一连接简单快捷，支持热拔插。在不关闭计算机电源的情况下，可以直接通过u s b 电缆同p c 的u s b 口相连接，安装、拆卸极为方便。 支持多设备连接，利用菊花链形式对端口加以扩展。u s b 理论支持多达1 2 7 个外设， 5 桂林工学院硕士学位论文 相对于r s 2 3 2 的点对点连接，采用u s b 接口的系统有可能实现一台p c 控制多台n c 从而大大提高效率，降低成本，便于控制，更有利于实现协同制造。 无须外接电源。所有的u s b 端口都可以为连接其上的设备提供5 v 电压，最大可提 供5 0 0 m a 电流，降低了设备的成本，提高了性价比。 b u s b 的有效连接距离是5 m ，可以通过集线器扩展连接，最多可以扩展到5 级达到 3 0 m 的距离，相比r s 2 3 2 在数扼传输时最大距离仅为1 5 m 。i c r o n 公司开发了e x t r e m e u s b 技术，更是可以将u s b 设各扩展到距离5 0 0 m 到2 0 0 0 m 处。 数据传输速率高快速性能是u s b 的突出特点之一u s b 接口支持1 5 m b s ( 低 速) 、1 2 m b s ( 全速) 和高达4 8 0 m b s ( u s b 2 0 规范) 的数据传输速率，远高于一般的 串行总线接口在高速数据传输具有明显的优势具体比较值如表2 1 所示咖 表2 1 常用串行接口比较 接口格式负载能力速率( 最大值b i t s ) u s b 异步串行 1 2 71 5 m 、1 2 m 、4 8 0 m r s - 2 3 2 异步串行 21 1 5 2 k r s - 4 8 5异步串行3 21 0 m i r d a 红外异步串行 21 1 5 2 k m i c r o w i r e同步串行82 m s p i同步串行82 1 m i = c同步串行4 04 0 0 k i e e e - 1 3 9 4 串行6 44 0 0 m 以太网串行1 0 2 4l o m ，l o o m ，1 g 2 2u s b 体系结构概述 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各种u s b 即插即用的外设之问进行数据传输。由 主机预定的标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允 许添加、设置、使用以及拆除外设嘲 2 2 1u s b 系统的描述 一个u s b 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 的互连是指u s b 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： 一总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 一内部层次关系：根据性能配置，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式：描述数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方式： i 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，并且避免优先级判别开销。 6 桂林工学院硕士学位论文 2 2 2u s 8 的主机 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。 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 一检测u s b 设备的安装和拆卸； 管理在主机和u s b 设备之间的控制流； 一管理在主机和u s b 设备之间的数据流： 一收集状态和动作信息； 一提供能量给连接的u s b 设备。 2 2 3u s b 的设备 u s b 设备主要分为集线器和功能器件两类。集线器类指的是一种提供u s b 连接点的设 备，只有集线器可以提供更多的u s b 的连接点；而功能器件是为系统提供具体功能，如 i s d n 的连接，数字的游戏杆或扬声器 当u s b 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0 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 设各都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息 在0 端点上，控制通道中的信息应完整描述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、电源管理等设备设置、接口及端点的描述在此给出 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。 一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 b 的控制和状态信息。 2 2 4u s b 接口的电气特性 u s b 每个连接头内拥有4 个针脚：两个用来传递差分数据的信号线( d + 和p - ) ，另 两个则是供给u s b 设备电源的电源线( v c c 和g r i d ) 。各个针脚编号与缆线颜色见下表n 。1 ： 针脚编号信号名称 缆线颜色 1v c c 红 2 d a t a - ( d - )白 3 d a t a ( d + )绿 4g r o u n d 黑 7 桂林工学院硕士学位论文 表2 2u s b 统线的信号与颜色 p c 中通过d + 或d _ 的电压变化检测到设备的连接与移除的。图2 1 显示u s b 设备接入 的结构细节如果没有插入i o 设备，l t u b 处于未连接的状态注意在图中集线器里有两 个偏置电阻器；当没有设备插入时，它们可以确保d + 和d _ 为低电平。在设备上各有一个 偏置电阻器接到d + 或d - 。当u s b 设备和电缆插入时，偏置电阻器使d + 或d - 升高。这个 电压差的改变被集线器识别，这样就会检测到新设备的插入。根据约定，如果设备的偏 置电阻器是连接到d + 的，这就是向集线器说明是全速的( 1 2 m b i t s ) ，如果设备的偏置电 阻器连接到肛，则表示设备是低速的( 1 5 胁i t s ) “” 2 3u s b 数据传输 图2 1u s b 设备连接结构 i 口d e v i c e u s b 采用了不归零翻转( w o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t ) 的编码方式，对于不同步的脉 冲信号也能产生同步的数据提取_ 限z i 的编码规则是，当数据位为“1 ”时不转换，为“0 ” 时转换u s b 共有四种类型传输方式：分别为控制传输，中断传输，批量传输和同步传输 1 2 】【1 3 】 2 3 1 控制传输 控制传输属于突发式、非周期性的，由主机软件发起请求或响应的通信，通常用于 命令事务和状态事务。控制传输用于支持在客户软件和设备功能之间的关于配置、命令、 状态类型的通信流。在设备枚举过程中，主机通过控制传输向功能设备发出标准u s b 请 求来获取设备和配置等描述符，从而了解设备信息，建立起客户软件和设备功能之间的 正常通信控制传输支持外设与主机之间的控制状态，配置等信息的传输，为外设与主 机之间提供个控制通道每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之问就可以 传送配置和命令状态信息。 8 桂林工学院硕士学位论文 控制传输一般由三个阶段组成：首先是设置阶段( s e t u ps t a g e ) ，主机向设备发出一 个设置( s e t u p ) 事务传输。规定主机所要求的操作接下来是数据阶段( d a t as t a g e ) ，由 若干个数据传输组成。传输的方向和数据内容由s e t u p 包规定如s e t u p 包没有要求数 据传输，则无此阶段。控制传输的最后是状态阶段( s t a t u s s t a g e ) 它由一个状态事务传 输组成，设备返回传输是否成功的状态信息。图2 2 显示了设置事务处理的过程。 图2 2 控制传榆事务 对于状态事务传输，在这里做一些解释如果控制传输的数据阶段是一个主机向设 备写的过程，则在状态事务中首先主机发一个i n 令牌接着如果设备己经成功接收数据 阶段的数据，则发一个0 字节的数据包表示传输顺利完成，而后主机返回a c k 握手信号 给设备如果设备仍处于接收或处理前面控制数据的过程中，则返回n a k 握手信号如 果前阶段的传输有错误，则设备分别返回s t a l l 握手信号对于主机从设备读数据的控 制过程，在状态事物中首先主机发一个o u t 令牌，而后再发一个0 字节的数据包，最后 设备返回握手信号其中a c k 表示整个控制传输成功完成，n a n 和s t a l l 的含义同上。图 2 3 给出三个控制传输的例子( 为简化图示，这里省略了s y n c 信号) ： i f a i r j r 曩一曩 嬲围回回回 d a t a i td a t a jd a t a 0 d a t a i v i 蝴围回回回 d a t a 0d a t a i data$data0fl t 立隋段状蠢阶曩 勰回固 d a t a 0 d a t a i 图2 3 控制传输过程图 在控制传输中，数据的方向是双向的，即一个端点0 既可以接收又能发送数据。在 9 章粤 桂林工学院硕士学位论文 数据阶段中可以有多个数据事务，但每个数据事务的数据包不能大于数据有效负载( d a t a p l a y l o a d ) 对于全速设备，数据有效负载最多为8 。1 6 ，3 2 或6 4 字节对于低速设备， 最大为8 字节。在数据阶段中，如果某个数据事务的数据包小于数据有效负载，则通信 双方默认它是数据阶段的最后一个数据事务，这就确定了数据阶段如何结束。 2 3 2 等时传输 等时传输是在主机与设备之间周期性的、连续的通信，一般用于传输与时间相关的 信息。这种类型保留了将时间概念包含于数据包的能力。等时传输适用于以固定速率或 在固定时间内的传输。对于由于错误而导致的传输失败，主机不会进行重新传输。因此， 可以容忍偶尔的错误在全速情况下，等时传输每个帧传输的数据要比中断传输的多 等时传输的应用包括实时的语音和声音码流。只有全速和高速设备才支持等时传输等 时传输支持有周期性，有限的时延和带宽的数据传输速率不变的外设与主机间的数据传 输。 该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输。如图2 4 所示，实时传输的事务 处理中只有令牌时相和数据时相两部分，而没有握手时相。它的数据包的p i d 都是d a t a o 。 空甩 空闻 圆主机 = 功能部件 图2 4 等时传输事务 但协议规定，主机和设备都必须接受即使是错误的数据。当主机准备以同步方式读 数据时，首先它发出i n 令牌，而后设备发送数据。当主机向设备写数据时，它先发出o u t 令牌，而后再发送数据到设备。可见，等时传输是以连续的i n o u t 令牌+ 数据这样简单 的同步事务进行的。 2 3 3 批量传输 批量传输是非周期性的、大量的突发性传送。典型地用于传送那些可以利用任何带 桂林工学院硕士学位论文 宽的数据，而且当没有可用带宽时，可以延时传输。批量传输可以在不确定的时间内， 传送相对大量的数据，因为它会让其他传输类型首先执行，等到有可以利用的总线带宽 时再进行传输。 批量传输的事务处理的特点是以错误检测和重传的方式保证主机和u s b 设备之间的 数据被无差错地发送批量传输的事务处理的过程是按令牌时相、数据时相的时间顺序 完成，图2 5 显示了批量传输的输入和输出的事务处理过程。 在主机准备读数据时，首先它向设备发一个i n 令牌。而后设备的端点在正常情况下 以p i d 为d a t a o 返回一个数据包给主机如果设备暂时不能向主机提供数据，它发一个 n a k 握手信号，让主机之后再来读数据；如果所要求通信的端点处于停用状态，则返回 s t 舢，握手信号，主机系统软件必须重新起用此端点主机在接受到数据并检查无误后， 发送a c k 握手信号给端点，并把p i d 取反端点在接受到a c k 后，也把自己的p i d 取反， 接着开始下次数据事务如果主机发现接受的数据有错误，它丢弃此数据，且不返回任 何握手信号这时通信暂时中断，但系统很快会发现这个超时错误在故障恢复后，主 机又重新进行上次数据包的读取 当主机准备向设备写数据时，它首先发一个o u t 令牌接着它以p i d 为d a t a o 发一 个数据包如果设备接收到数据并检查无误后，它向主机发一个a c k 握手信号，表示这 次数据事务成功完成，并把其p i d 取反主机在接收到a c k 后也把p i d 取反，接着开始 下次数据事务如果端点由于缓存区己满等原因暂时不能接受数据，它返回一个n a k 握 手信号，表示让主机重新发送此数据包如果端点被停用，则返回s t a l l 握手信号，表 示u s b 系统软件必须先起用此端点如果接受到的数据经c r c 检查有错误，则端点不返 回任何握手信号系统发现超时错误后进行故障处理，而后重新写原来的数据 空饲 蝴槎蜘息 孵甲苗 、年中中 熬i 出l t - - - 1 主机功能每件 宙2 5 批量傍榆事务 1 l 桂林工学院硕士学位论文 根据所要求传输的字节数，批量传输由任意个数据事务组成协议规定，每一次批 量传输的第一次数据事务的数据包p i d 应为d a t a 0 ，之后为d a t a l d a t a o 依次取反。所以 在进行次新的批量传输之前，主机应通过控制传输把将要与之通信的端点的p i d 初始 化为d a t a 0 。图2 6 简单表示了批量传输的过程。 厂1 厂1 广 批处理写io u t ( 0 ) lio u t o ) i lo u t ( 0 1 ) l 1 一1 - j 1 一 d a t a 0 d a t a id a t a 0 i 厂1 厂- 1 广_ 批处理读l i n ( 0 ) ll i n ( 1 )l in 4 i 叫1 ) d a t a 0d a t a id a t a 0 i 图2 6 批量传输的过程 2 3 4 中断传输 中断传输是低频率、固定延迟的通信中断传输适用于那些请求传输的频率不高， 但是必须在指定时间内完成传输的数据一般的应用包括u s b 的键盘、鼠标、游戏杆和 集线器的状态报告中断传输需要快速地向主机报告当前的状态，这是由设备的属性和 使用的场合所决定的 同批量传输的事务处理一样，中断传输的事务处理过程是以错误检测和重传的方式保 证主机和u s b 设备之间的数据被无差错地发送的传输过程按令牌时相，数据时相和握 手时相的时间顺序完成的，图2 7 显示了中断传输的输入和输出的事务处理过程。 空用 喾蜘患 拜圆篙 、年中中 羲i 出自 i 亡= 主机啊 功能都件 图2 7 中断传输事务 1 2 桂林工，学院硕士学位论文 2 4u s b 2 0o t g u s bw i r e l e s s 版本 2 4 1u s b 2 o o t g 版本 “如何将u s b 应用到嵌入式领域? 如何实现u s b 点对点的通信? ”等问题使得u s b 主机的嵌入式化进行进入了人们的视野，进而产生了嵌入式u s b 主机的开发技术。虽然 u s b 在不断发展，人们希望在以嵌入式u s b 主机为核心的系统中，能同时拥有u s b 设备的 功能正是在这种的需求之下，u s bo n - t h e - 毛，o 应运而生2 0 0 1 年1 2 月，u s bo n l h e - g o 版本协议1 0 正式发布 u s bo n - t h e - 6 0 ，顾名思义，是u s b 应用在便携式移动设备领域中，是u s b 主机嵌入 式化的一种实现，因此可译为“便携式i j s b ”，筒记为u s bo t g o t g1 0 作为u s b2 0 的补