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数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 摘要 通用串行总线( u s b ) 作为一种新兴的计算机外设总线标准，从标准的出现到 大规模的应用，仅用了短短几年的时间，这一切都得益于它易用、真正的热插拔、 高性能和系统造价低廉等优点。同时随着我们所处的工业环境越来越复杂，现场 工程师不断增加了对监控这些工业环境设备的易用性、简单性的要求。而工业系 统中的各种监控设备中，最核心的技术就是数据采集和分析控制系统。这都离不 开d s p 技术的发展和支持。怎样利用最新的技术来满足这种需求，是本论文的主 题。 论文首先简要介绍了u s b 总线的相关内容。然后介绍了数据采集与处理系统 的设计。数据采集与处理系统的设计包括硬件设计、固件程序开发、驱动程序开 发和应用程序开发四大部分。在硬件设计部分，首先介绍了设计中所用的 t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片和p d i u s b d1 2 芯片的性能和特点，然后给出了具体硬件设计方 案。固件程序开发部分是设计中的重点，论文先从总体上介绍了程序的设计思想 及其层次结构，随后详细介绍了各层次程序的设计过程，并给出了部分源代码和 程序流程图。然后就是驱动程序开发和应用程序开发，驱动程序和应用程序的开 发，其中很多细节，都是值得我们花很长时间去研究，由于时间和开发资源的限 制，再加上这部分不是u s b 开发的重点，所以尽管我尽了最大的努力，也只是实 现了比较简单的功能，所以这一部分的内容没有做过多地介绍。 本课题论述了u s b 技术在d s p 数据采集和处理系统中的应用与研究，并给出 了一个可行的整体开发解决方案。 关键词：通用串行总线数据采集系统固件u s bd s pp d i u s b d l 2w d m 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 1 绪论 1 。1 数据采集与处理系统发展的现状 1 1 1 对数据采集与处理系统的一般描述 采集系统和采样系统仅差一字意思很相似但却有本质的区别，那就是采样系 统仅仅取到信号的样本并不包括信号的处理和传输过程，而采集处理系统从字面 上来理解就是取到、集中，再进行处理。因此它不但包括信号的取样而且还包括 信号的传输和处理过程。虽然两者有区别但两者也有密切的联系，那就是采样包 含在采集之中而采集必须先有采样，因此要能经过采样传输后能真实的反映原信 号，根据香农采样定律，采样信号的频率必须大于等于最高频率信号的两倍【l 】1 2 。 一般的数据采集处理系统的结构框图如图1 1 所示： 输入信 图1 - 1 数据采集与处理系统的结构框图 f i g1 1 t h es t r u c t u r a lf r a m e w o r ko ft h ed 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 m 1 1 2 数据采集与处理系统的发展现状、存在的问题和可能的趋势 以前的控制器一般采用单片机，而单片机己从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位 发展，对大多数场合来说已经能满足要求了，因为单片机也有许多优点，如价格 比较低廉、结构简单、接口扩展能力强。但有个很明显的缺点就是数学运算 能力差，它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对 信号的数学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从心了，譬如是通讯领 域和复杂控制领域等等。 还有就是在和上位p c 机之间的数据传输问题上，以前的数据采集卡一般都 通过系统总线也就是m d 通道总线、微型计算机总线或板级总线和上位机p c 系 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 统，插槽上的各扩充板卡相连，它是微型计算机最重要的一种总线。一般谈到微 型机总线，就是指这种总线。一般有以下几种标准：p c i 、i s a 、e i s a 等，其数 据地址不同，以适应不同的应用系统。虽然他们的传输速度比较快，分别为 1 3 2 m s ，1 6 m s ，3 2 m s ，但由于p c 接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源( i 0 地址、内存、中断、d m a ) 进行合理的配置，因此扩展难度很大【3 】。 为了解决功能扩展接口插卡最头疼的配置问题，九十年代推出了即插即用接 口卡标准( p c i 和i s a p d p ) ，由即插即用基本输入输出系统和即插即用操作系统 完成对接口卡资源的自动配置，以使功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便， 但功能扩展接口卡仍存在以下问题：第一、接口卡的配置必须停机，并需打开 p c 机箱进行安装和拆卸，这个过程仍需要一定层次的技术支持，即插即用技术 的采用只是降低了功能扩展卡的技术需要程度，这对p c 这样广泛运用的工具而 言仍显不足：第二、接口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过程仍需 要各种技术支持，特别是接口插卡作为一种硬件设备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源，即插即用算法虽能解决绝大多数的资源配置，但不能保证1 0 0 的解决，因此，其安装和配置过程仍需要人工干预。而当扩展卡较多时，常会出 现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩 溃：第三、接口插卡的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性 直接影响计算机的寿命和系统的稳定性即可靠性；第四、对象笔记本之类的小体 积p c 很难用接口插卡进行扩展；第五、p c 插槽中的各种接口卡受到p c 内部强 的射频干扰，使其性能受到很大的影响，除非接口卡是全数字化的【3 j 1 4 ”。 由于一般的数据采集系统存在上面诸多问题，因此采用d s p 作为控制器， 而采用u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接将是以后数据采集处理系统发展的一 种可能的趋势。 1 2d s p 的发展现状、应用领域和发展趋势 1 2 1d s p 的发展现状 1 9 6 5 年快速傅立叶变换( ( f f t ) 算法的提出被公认为数字信号处理( d s p ) 这一 学科的开端。在近四十年的发展过程中，数字信号处理自身已基本形成一套较为 完善的理论体系。这些理论包括： 1 信号的采集( 刖d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ； 2 离散信号的分析( 时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ： 3 离散系统分析( 系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性 等1 ； 4 信号处理中的快速算法( 快速傅立叶变换、快速卷积与相关等) ； 5 信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计) ： 6 滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ； 7 信号的建模； 8 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、反卷积、信号重建等) ： 9 信号处理技术的实现( 软件实现和硬件实现) 与应用； 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专 用处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍。其结构特征如下： 数据采集与处理系统的usb接口技术研究 普遍采用了数据总线和程序总线分离的改进的哈佛结构，比传统处理器的冯- 若依曼结构有更高的指令执行速度； dsp大多采用了流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、 译码、访问数据、执行等儿个步骤，需要若干个指令周期完成。流水线技术 是将各指令的执行时间重叠起来。综合起来看，使得每条指令的最终执行时 间是在单个指令周期内完成的。 片内有多条总线可以同时进行取指蓍辑誊绵强商越嚆懒j 壤徽年物的结构 种群变化又能简单快速的测定| 封托掣囊啜芬滁霪剐i 专潮滢灌潮j 掳霪 # 阮p 囊掣善暴辨；巍筮；国孚者作为土壤鹰量静等韧硝弼摧甄型；羹i 骜探讨露潇1 疆黼a 魈弩厦匕褰璺掣燮裂：醚照铽一马烈鞠型一丽甥繇礤醚! 要辨嫡蕊l 蓦鞋瓢蚕牛螽越强烈倦弱瑟差舔如土壤肥力和土壤健康有十分紧 密的关系，比如土壤微生物生物量和潜在的土壤可利用氮之间存在着显著的_ f 相 关，这已被厌氧培养或其它方法多次证实。土壤微生物生物量测定方法的不断改 进和简化，也使得土壤微生物生物量的研究更加深入，并且逐渐成为人们用来进 行土壤污染安全预警评价的一个重要指标。目前可用作土壤微生物量分析的方法 很多，如测定微生物数量的平板计数法( p l a t ec o u n tt e c h n i q u e ) “埽口最大概 率数法( m o s tp r o b a b l en u m b e rm e t h o d ) ，测定微生物生物量的重蒸浸提法。 (f e ，f u m i g a t i o ne x t r a c t i o nm e t h o d ) 、重蒸培养法”1( f l ， fu m i g a t i o n i n c u b a t i o nm e t h o d ) 、基质诱导呼吸法”。( s i r ，s u b s t r a t e i n d u c e d r e s d i r a t i o nm e t h o d ) 、a t p 含量转换法”3 等。用微生物量指示土壤污染的程度是 基于上壤微生物对土壤污染物的敏感性与相关性。b 0 1 a n 等人”1 报道用重蒸一萃 取技术测定，土壤微生物生物量与农药2 ，4 一d 、阿特拉津、呋喃丹的蜕化有很 好的相关性。m 0 0 r m a n 和h a p e r ( 1 9 8 9 ) “”用细菌、霉菌的平板计数法分析，认为 在土壤亚表层的m e t r i b u z i n 降解减少与较低的微生物数一致。v o o s 和 ( 矗o f f m a n “”也报道土壤微生物生物量与2 ，4 一d 和麦草畏( d i c a m b a ) 的降解有相 关性。因而土壤微生物生物量可以作为评价土壤污染的指标“2 1 “。陈中云等“5 1 在 实验室条件下，研究了农药污染对水稻田土壤反硝化细菌种群数量及其反硝化活 性的影响，结果表明在1 垤干土中加入1 m g 丁草胺或呋喃丹，能刺激反硝化细菌 的生长及其反硝化活性；但在l k g 干土中加入5 m g 多菌灵、1 0 m g 丁草胺或呋喃 丹有明显的抑制作用，丁草胺和呋喃丹施 x 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b l 1 是目前推出的支持 u s b 的计算机于外设上普遍采用的标准。在1 9 9 9 年2 月2 3 目的英特尔开发者 论坛大会上，介绍了u s b 2 o 规范。在微软公司与英特尔公司推出的p c 9 9 的硬 件体系规范和p c 9 9 的软件规范都包含对u s b 的支持。苹果公司的m a co s 及 微软公司公司的w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s2 0 0 0 中全面支持u s b 。 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。目前在统一的u s b 接 口上实现了中低速外设的连接，例如键盘、鼠标、显示器、数字音响及调制解调 器等；u s b l o 的数字传输率达到了1 2 m b p s ，u s b 2 o 达到了4 8 0 m b p s 。因此将 可用于更多的新型外设，并可很好地满足视频图像的实时传输要求；u s b 采用 差分传输方式，具有很好地传输可靠性；设备的控制、管理和信息交换完全是由 系统软件按u s b 协议进行传输，因此不存在设备占用资源冲突而导致系统的紊 乱问题；u s b 技术具有开放性，是非赢利性的规范，得到了广泛地工业支持。 而对于p c 机用户来说，u s b 实现了真正地即插即用和热插拔，当用户需要将外 设连接到p c 上对其进行功能扩展时，只需要拿起外设的接线将它插入到p c 机 的u s b 接口上就可以了，剩余的一切都由操作系统来处理。再多的外设( 只要不 超过1 2 7 个) 通过u s b 集线器就可以实现和计算机的相连。因此，u s b 技术的提 出是基于采用通过连接技术实现外设的简单连接，达到方便用户、降低成本、扩 展p c 机连接外设的目的，使p c 机的功能扩展变得非常简单方便，并能最大限 度的降低用户对计算机技术的需要，是所有的外设均成为“傻瓜”式设备。对于 工业应用来说，u s b 本身就是一种工业级总线标准，其可靠性等级可以很好的 满足工业现场测量控制系统的要求。另外，由于其所具有的外挂式特点，它可很 好的满足工业测量的环境要求、可容易地实现完全地光电隔离、钡4 量系统的改变 和扩展都很容易和方便。 1 3 2 u s b 的性能特点 ( 1 ) 终端用户的易用性： 为连接电缆和连接头提供了单一模型； 电气特性与用户无关； - 自我检测外设，自动地进行设备驱动设置； 可动态连接，动态重置外设。 ( 2 ) 广泛的应用性： 适应不同设备，提供低速传输( ( 1 5 m b p s ) 和全速传输( 1 2 m b p s ) ： 支持对多个设备的同时操作； 可同时操作1 2 7 个物理设备； 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流； 支持多功能的设备； 利用低层协议，提高了总线利用率。 ( 3 ) 同步传输带宽： 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用； 同步工作可以利用整个总线带宽。 ( 4 ) 灵活性： 可以选择一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器大小进行选择 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 通过协议对数据流进行缓冲处理。 ( 5 ) 健壮性： 出错处理差错恢复机制在协议中使用； 对用户感觉而言，热插拔是完全实时的； 可以对有缺陷设备进行认定。 ( 6 1 与p c 产业的一致性： 协议的易实现性和完整性； 与p c 机的即插即用的体系结构的一致； 对现存操作系统接口的良好衔接。 ( 7 ) 成本低廉 以低廉的价格提供1 5 兆比特率的子通道设施； 将外设和主机硬件进行了最优化的集成； 促进了低价格的外设的发展； 廉价的电缆和连接头； 运用了商业技术。 1 4 论文的研究工作和组织结构 1 4 1 论文豹研究工作 课题数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究源于大连理工大学振动 工程研究所p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪的升级换代实际项目，属于d s p ( 数字信 号处理器) 在工业现场信号的采集、分析与处理中的具体应用。应用领域：工业 现场数据采集与分析、过程监视、工业过程控制、系统安全监控、过程自动化、 产品性能测试，故障诊断等。 我们研究所先前开发的p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪以其稳定的性能，高性价 比，高可靠性已经在实际中得到了很好的应用，客户反馈良好。但是时代在发展， 硬件与软件产品都在以极快的速度向前发展，为p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪的升 级换代提供了可能。同时出于同业界内其它研发制造商的竞争，使升级p d m 2 0 0 0 成为刻不容缓的任务。只有不断超越自我，才有生机，才有未来，才能立足于残 酷竞争中的不败之地，才能为用户提供最佳的服务。先进的采集分析仪无疑会对 提高企业的效益，减少事故的发生及提高科研院所的科研水平起到推动作用。 先前开发的p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪采用r s 2 3 2 接口与上位机进行通讯， 如果传输的数据很大的话，r s 2 3 2 接口的数据传输率太低，与上位机通讯要花费 很长时间，而且不能完全保证数据传输的准确性。若在设计中采用u s b 接口， 将大大提高数据传输速度，简化接口和电缆，克服以上不足。本论文就是基于此 而展开的。 围绕本课题，本人主要做了以下工作： - 深入学习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全面 的了解。 一掌握数据采集与处理系统的设计和软硬件开发方法。 一熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使开发的软件具有较好的可 靠性、可维护性和可读性。 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 r s 一2 3 2 一c 标准规定的数据传输率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、 2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p v 的 电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用1 5 0 p f 的通信电缆时，最大通 信距离为1 5 m ；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的 另一原因是r s 2 3 2 c 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问 题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。 i e e e 1 3 9 4 总线：i e e e 1 3 9 4 是高性能的串行总线。它的应用范围主要是那些 带宽要求超过1 0 0 m b s 的硬盘和视频外设。利用同样的四条信号线，i e e e1 3 9 4 可以同步传输，也可以支持异步传输。这四根信号线分为差模时钟信号线对和差 模数据线对。i e e e1 3 9 4 规范得到了很好的定义，而且基于i e e e 规范的产品也 出现在了市场上，目前i e e e1 3 9 4 解决方案的价位被认为可以同s c s i 磁盘接口 相竞争，但是由于其协议的复杂性使制造成本大为增加，不适合实现低性能、低 成本的外设，不适用于一般的桌面连接。 r s 4 8 5 总线：在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s 4 8 5 串行总 线标准。r s 4 8 5 采用平衡收送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加 上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m y 的电压，故传输信号能在千米 以外得到恢复。r s 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状 态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。r s 4 8 5 用于多点互连时非常方 便，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5 可以联网构成分布式系统，其允许最多 并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 2 2 对u s b 接口的外型和性能的总体概述 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 协议是一些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，自9 5 年在c o m d e x 上亮相以来至今己广泛地为各p c 厂家所支 持。现在生产的p c 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 、n t 以及 m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。在所有u s b 设备的插头表面都统一的u s b 特征图标，如右图2 1 所示，易于辨认州 j 。 u s b 电缆由电源线( v b u s ) 、地线( g n d ) 和两根数据线( d + 和d - ) 组成，如图 2 2 所示。 图2 1 u s b 标志 f i 9 2 - 1u s b i c o n u s b 接口有两种形状的插口，分别称为a 口和b 口。其中a 口的方向面向 主机，而b 口的方向面向u s b 外设。与a 口和b 口分别对应有a 插座和b 插 座。插口和插座的外形如下图2 3 所示。 9 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 最长为5 米 ： ) 0 鞫 一， v b 啦 d + d g n d 图2 2 u s b 电缆结构 f i g2 - 2u s bc a b l e 数据在d 十和d 一间通过差分方式以全速或低速传输，时钟信息编码在差分码 中。在每个数据包的头部有一个同步信号( s y n c ) ，接收方用它和数据发送方保 持时钟同步 8 】。 u s b 的主要优点有： 速度快。u s b 有全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为1 2 m b p s ， 另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，u s b 还 提供低速方式，速率为1 5 m b p s 。 图2 3u s b 插座和插口形状 f i g2 - 3k e y e dc o n n e c t o rp r o t o c o l 设备安装和配置容易。安装u s b 设备不必再打开机箱，加减己安装过的设备 完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻 底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 易于扩展。通过使用h u b 扩展可接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长度为3 米( 低速为5 米) 。通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 米。能够采用总线 供电。u s b 工作在5 v 电压下，总线提供最大达5 0 0 m a 电流。 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n l 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) ，以适应不同设备的需要。 容错性强。u s b 协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证 数据传输的正确性。同时，对设备的热插拔处理迅速且不影响系统的正常工作。 实现成本低。u s b 对系统与p c 的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。 由于这些优点，u s b 的应用范围很广。下图2 4 给出了u s b 的一些主要的应用。 论文设计的u s b 通信接口主要针对的应用是一个数据采集处理系统，进行 舳；，b 卿 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 1 2 m b p s 全速传输。己经完全满足所采数据经处理后的传输要求，在保证传输可 靠性的条件下，理论上u s b 全速传输的有效数据速率为8 m b p s ，若对数据储量 要求很高的可以使用2 0 0 0 年9 月推出的u s b 2 0 协议，其速率达到4 8 0 m b p s ， 它非常适用于一些视频输入输出产品，并很有可能替代s c s i 接口标准。 性能应用 属性 低速翠键盘、鼠标、输入笔、费用低、热插拔、使用 交互设备游戏外设虐拟现实外方便多外设 l o 一4 0 0 k 店 设，显示器配置 中造率i s d n p b x p o t s ，音频费翊低、使用方便、提 电话、音频信号、压缩供延时保证、保证带 视频信号宽、动态插拔，多个外 5 0 0 k b ，s - 4 0 m b ，s 设 图2 - 4 u s b 典型应用 f i g2 - 4u s bt y p i c a la p p l i c a t i o n 2 3u s b 协议的综合描述 下面将对一个u s b 系统的总体结构和各组成部分作一个宏观上的介绍，力 求在本节对u s b 作详细的介绍，争取能澄清一些关键的概念。接下去的几节里 将对系统中一些重要部分的细节作一些说明，从而澄清一个u s b 系统是如何实 现的。一个u s b 系统可分为u s b 设备、主机( h o s t ) 和主机与设备的连接 ( i n t e r c o r m e c t ) 三个部分。 2 3 1 连接部分 连接部分规定了u s b 设备与主机的连接和通信方式。它包括总线拓扑结构、 通信各层的任务和相互关系、数据流模型以及主机与多路u s b 设备通信时的带 宽分配等内容。 图2 5u s b 物理总线的拓扑 f i g2 - 5u s bp h y s i c a lb u st o p o l o g y 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 u s b 物理总线的拓扑如图2 5 所示，是一种星形级连结构。h u b 位于每级星 形的中心。这种集线器级连的方式使得外设的扩展很容易。u s b 协议规定最多 允许5 级集线器进行级连。而在逻辑上，各个设备好象是与主机直接相连的，如 图2 6 所示。它们之间的通信不用理会物理连接方式。 2 - 3 2 u s b 主机 图2 6u s b 逻辑总线的拓扑 f i g2 6 u s bl o g i c a lb u st o p 0 1 0 9 y u s b 主机是一台普通的计算机，但它跟我们以往所接触的以太网的主机概 念有一些差别。在u s b 系统中，u s b 主机指的是计算软件和硬件的集合，而不 是单纯指硬件；而在以太网中主机指一台负责控制网络中的通讯，为网络端提供 服务核心计算机。u s b 主机是u s b 系统的核心。在一个u s b 系统中只有一台主 机，主机的u s b 接口称为u s b 控制器，通过它主机和外围u s b 设备进行通信。 在主机中还集成了一个根集线器艰0 0 t h u b ) 用于直接与外设相连或与一般u s b h u b 级连。 主机所具有的功能包括：检测u s b 设备的插入和拔出；管理主机与设备之 间的数据流，对设备进行必要的控制；收集各种状态信息：对插入的设备供电。 主机上还有u s b 系统软件和客户软件。客户软件和与其对应的u s b 设备进行通 信，实现各个u s b 设备特殊的功能应用。系统软件对u s b 设备和客户软件之间 的通信进行管理，并完成u s b 系统中一些共同的工作，例如：u s b 设备的枚举 和配置，参与各种类型的数据传输，电源管理以及报告设备和总线的一些状态信 息并进行处理等。 2 3 3 u s b 设备 u s b 设备包括u s bh u b 和功能设备( f u n c t i o n ) 两大类。它们都必须有标准的 u s b 接口，理解u s b 协议，支持标准的u s b 操作( 比如配置，复位等) 。它们的 描述信息也应该具有u s b 协议定义的标准格式。 1 u s bh u b u s bh u b 是u s b 实现即插即用的一个关键部分。每个u s bh u b 有一个面向 主机的端口，称为上游端口( u p s t r e a mp o n ) ；同时还有几个用于和下端u s b 设各 浙江大学坝l 一学位论文 ： 矗 三 【酬 ! 蠹 特 6 0 一一。一 4 0 00 0 01 4 0 01 9 0 02 4 0 02 9 0 03 4 0 03 9 0 04 4 0 0 转速l g 图3 6 不同离心转速对多糖得率影响 表3 6 离心转速对多糖得率的影响数据分析表 1 3 0 03 9 0 0 得率转速( g ) 5 0 0 重复( 多糖含量p g ，“) “11561 1 6 6 2 l l o 1 8 多糖含量p g i n l ) 1 1 5 6 71 3 0 5 51 2 0 8 41 1 0 1 91 0 5 6 4 重复三( 多糖含量p g r n l ) 1 0 3 8 9 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 方面的错误处理机制是由设计者根据实际应用自己实现的。 242系统配置过程 usb允许设备在任何时候被插入或拔出，因此usb系统软件必须适应这种总线拓扑结构的动态变化。 1 u s b 设备的插入( a t c a c l n e n t )u s b 设备可直接与主机的根集线器连接，也可以经过u s b hub与主机连接。h u b 的状态寄存器用于指示是否有设备插入和拔出。主机通过查询这些寄存器获 得状态值。当发勰酣鏊瓤影：潲吁臂弭；蒜姥疆雕赫罅弦繇辑蚰剞蕊雕囊羹；豫 套席园憎第荫挤：附澎诵罐审蔫忑嗽穆娃剐莉羁鞲指针锄醺；蓓射拳翱栈机雕稻； 弼希祈乳钥占洲护5 1 j j 瓤型；0i 。i 日二葵望勤醚鞠鞠袱珀苯j ： 躺i 若k 鞭萋 到高交联靼爹垫霸疆霪憝堡葡璃。研彰翁獭刻却矧。 高刚新棼群堂帮甄乖 掣琴墨篱暨引器翻用分子量的大小来分离物质的分 子量大的物质通过柱子的时间较短，分子量小的物质则需要更长的时间，从丽 可以利用洗脱时间的不同来分离大小不同的物质。s e p h a d e xg 一1 0 0 的吸水量为 lo o m ，分离范厨对于肽类和球蛋白是4 0 0 0 1 5 0 0 0 0 ，多糖则是l o o o io o o o o i2 6 l 。 4 1 蛋白质脱除工艺研究 采用无锡酶制剂长生产的中性蛋白酶进行脱除蛋白，具体工艺为： 山药浸提液浓缩_ 加入2 的中性蛋白酶4 2 作用2 小时_ 升温到9 0 作用半小时使酶灭活1 9 0 0 9 离心l o 分钟卜取卜清放入截留分子量为 14 0 0 0 的透析袋透析2 天浓缩后酒精沉淀即得脱除蛋白质的粗多糖 该方法简单可行，消除了传统的采用有机溶剂萃取除蛋白而带来的对周围 环境的影响。 脱除蛋白质前后的各种指标比较： 5 6 0 9 山药以1 ：6 的料水比调p h 值到9 用8 5 度温度浸提1 小时候测蛋白 质及多糖含量。 3 一1 5 蛋白质脱除试验结果 原始浸提液猹稽玑淀后酶作用后透析 蛋白质所占卣分比 27 21 9 14 9 多糖所占百分比 02 3 02 2 由0 x 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 如果主机是由自带的电池供电，比如笔记本电脑，则根集线器也可向它的端口只 供给l u l l i t l o a d 电流。 总线供电的h u b ：它的所有电能来自其上游端口的v b u s 总线。它在刚上电时 最多只能消耗lu 血l o a d 电流，在被配置后最多可消耗5u 血l o a d 电流。这5 个u n i t l o a d 电流在它本身、它内部的集成的功能设备和它的下游端口之间分配。 它的每个下游端口最多只能分配到1 负载单位电流。 自供电的h u b ：这种h u b 的下游端口和它内部集成的功能设备不要求v b u s 供 电。它的下游端口由h u b 自身电源供电，规则与根集线器相同。v b u s 只通过上 游端口向h u b 本身供电，其目的是一旦h u b 自身的电源停止工作，它的u s b 接 口仍能工作。 低功率总线供电的功能设备：这种设备所有的电能来自v b u s ，且在任何时刻 它最多只能消耗1u n i tl o a d 电流。 - 高功率总线供电的功能设备：这种设备所有的电能也都来自v b u s ，刚上电时 它最多消耗1u n j tl o a d 电流。被主机配置后，它最多消耗5 个u n i t l o a d 电流a 自供电的功能设备：它从v b u s 吸收1 u i l i t l o a d 电流，目的是让它的u s b 接 口在自身电源停止工作时仍能正常工作。这种设备其余的功能模块都由自带电源 供电，大小只受电源本身功率限制。 2 电源管理 主机上有与u s b 独立的电源管理系统。系统软件和它打交道，处理挂起 ( s u s p e n d ) 恢复( r e s u m e ) 等事件。与之对应，u s b 设备也可以有对应的电源管理 系统响应主机端u s b 系统软件的处理命令。 当系统中某一段u s b 总线上空闲( i d l e ) 信号超过3 m s 时，系统软件会要求 设备相应的设备进入挂起状态，称为选择性挂起( s e l e c 廿v es u s p e n d ) 。当整个u s b 总线空闲信号持续达到3 m s ，则所有设备进入挂起状态，称为全局挂起( g l o s u s p e n d ) 。总线上的任何非d l e 信号都可以使设备从挂起状态恢复。主机可以 发出恢复信号，让相应的设备从挂起状态恢复。有些设备也可以自己发出恢复信 号，称为远程唤醒设备，通知主机它将从挂起状态恢复。 一般设备处于挂起时只消耗5 0 0 ua 电流，除了它的u s b 接口外别的功能 模块暂时都停止工作。远程唤醒设备在挂起时耗电2 5 m a 。 u s b 的这种电源功率分配和电源管理特性使得它也十分适用于笔记本电脑 等电池供电的产品。 2 5u s b 数据流模型 这一节主要讲述u s b 系统中的数据流。在这里对系统分析时，我们仍然不 关心具体信号和协议，相关的细节在后面论述。 2 5 1 u s b 通信数据流 在上一节中我们已经介绍了数据通信实际上发生在主机上的客户软件和设 备的端点之间。数据在主机端经过客户软件层、u s b 系统软件层和主机控制器 三个逻辑层，在设备端经过u s b 总线接口层、u s b 设备层和功能层。从逻辑上 看，u s b 设备层与u s b 系统软件层对应，它们完成u s b 设备一些基本的、共有 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 的工作。功能层和客户软件层通信，它们实现单个u s b 设备特有的功能。在编 程时，客户软件通过u s b 系统软件提供的编程接口操作对应的设备，而不是直 接通过操作内存或i 0 口来实现。下图2 1 0 是详细的数据通信流模型，它是在 图2 9 基础上增加了每一层的一些细节。 一绺蹦；。熬 l t 图2 1 0u s b 数据通讯流详细模型 f i g2 1 0u s bh o s t d e v i c ed e t a i l e dv i e w 在系统软件层和u s b 设备层之间有一条缺省管道，主机与设备的端点o 通 信，用于实现一些u s b 设备的基本控制功能。在客户软件层和功能层有多组通 信管道，它们实现u s b 设备的特定通信功能。我们所述的这些通信都是从逻辑 上分析的，实际的信号物理流程图上也表示了。以信号从主机流向设备为例：客 户软件经u s b d 传送给系统软件的数据是不具有u s b 通信格式的数据。系统软 件对这些数据分帧，实现带宽分配策略，而后交给u s b 主机控制器。主机控制 器对数据按u s b 格式打包，实现传输事务，再经串行接口引擎( s m ) 后将数据最 终转化为符合u s b 电气特征的差分码从u s b 电缆发往设备。数据到达设备后是 一个逆过程。在设备层中将数据解码，发往不同端点的数据包被分开并正确排列， 帧结构被拆除，数据成为非u s b 格式的。而后数据送往各端点，实现通讯。不 同种p c 的主机控制器硬件实现并不一样，但有了h c d ，u s b 系统软件可以不 必理会各种h c d 具有何种资源，数据如何打包等问题。尤其是h c d 隐藏了怎 样实现根集线器的细节，对于主机的集线器控制而言，对根集线器控制与一般 u s bh u b 完全一样。 在主机方我们还发现有h c d 和u s b d 两个接口层。h c d 的全称为主机控 制驱动( h o s tc o n 廿o ld r i v e r ) ，它是对主机控制器硬件的一个抽象，提供和u s b 系统驱动程序的连接。u s b d 全称为u s b 驱动( u s bd r i v 盯) ，它是客户软件和 u s b 系统软件的接口，能让客户方便地对器件进行控制和通信，是u s b 系统中 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 十分重要的一环。实际上从客户软件的角度看，u s b d 控制着所有的u s b 设备， 而客户对设备的控制和所要发送的数据只要交给u s e d 就可以了。如图2 1 1 所 示，u s b d 为客户软件提供两种软件机制：命令机制( c o m m a n dm e c h a n i s m ) 和管 道机制( p i p em e c h a l l i s m ) 。客户软件通过命令机制可以访问所有设备的端点o 且 与缺省管道通信，从而实现对设备的配置和其它一些基本的控制工作。管道机制 允许客户和设备实现特定的通信功能。 2 5 1 1 端点 这一节对端点的概念做进一步的说明。我们己经知道，端点在硬件上就是一 个有一定深度的f i f o 。主机和设备的通信最终作用予设备上的各个端点。每一 个u s b 设备都有一组互相独立的端点。每一个设备都有一个由主机分配的唯一 的地址，而各个设备上的端点都有设备确定的端点号( e n d p o h n n u i n b e r ) 和通信方 向。每个端点只支持单向通信：它要么是输入( i n p u t ) 端点，数据流方向从设备到 主机：要么是输出( o 删端点，数据流方向从主机到设备。设备地址、端点号 和通信方向三者结合起来就唯一确定了各个端点。 在设备配置时，它必须报告主机它的各个端点的特性，包括：端点号，通信 方向，端点支持的最大包大小，带宽要求以及支持的通信方式等。其中端点支持 的最大包大小称为数据有效负载( d a t a p a y l o a d ) ，是个重要的概念。前面已经几次 提到的端点0 比较特殊。它实际是由输入和输出两个端点组成。每个设备都必须 有端点。，主机和它建立缺省管道( d e f 乱1 tp i p e ) ，用于配置设备和对实现对设备 的一些基本的控制功能。除了端点o ，其余的端点在设备在配置之前是不能和主 机通信的。只有设备在它的配置描述符中报告了主机它有哪些端点以及这些端点 的特性，主机确认后，这些端点才被激活。除端点o 之外，低速u s b 设备最多 有两个端点；而全速设备最多有1 5 个。 2 5 1 2 管道 在上一节中已经介绍了管道的基本概念，它是设备上端点和主机上客户软件 的连接。因此，每条管道和端点的特性有直接联系，它只能支持一种通信方式。 u s b 协议规定了流管道( s 缸e a m p i p e ) 和消息管道( m e s s a g e p 近圮) 种管道，其中消 息、管道有定义的结构。缺省控制管道属于消息管道。 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 刈 尉 塞 l 谊鱼粕拢 誊 囊 纂 v 管道簸取 藿 l 盟 蟠 薯 7 _ 7 7 ， ， 白合接口 苗谨接口 服务 逝翔审行息鼗救b、 uu l 主札控制 l 生机控刮 l 器驱动 i 嚣驵动 - u s b 生 i u s b 主 i 控自鼎 控斜罄 图2 1 1 u s b d 结构 f i g2 11 u n i v e r s a ls e r i a lb u sd r i v e rs t r u c t u r e 客户软件通常通过向主机的操作系统发加请求包叫or e q u c s t p a c k e t ) i r p 来要求和某一条管道进行数据传输，而后它进行等待，直到系统通知它传输 成功完成或失败。当在传输过程中设备的某个端点返回了一个s t a l l 握手信号 或是某一个数据包连续三次传输都失败，则当前的i r p 和其它排队等待处理的 i r p 都被放弃( a b o r t ) 。客户软件应采取措旄将系统恢复。具体恢复的措施由系统 的实现者根据系统的实际应用自己设计，比如对于严重的错误，可以对设各进行 软件复位。i r p 的数据结构和对i r p 的具体处理方 刈 尉 塞l 谊鱼粕拢 誊 囊 纂 v 管道簸取藿 l盟蟠 薯 7 _ 7 7， 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 2 6 1 数据事务传输结构 这种数据事务传输主要用于批量传输，中断传输和控制传输的中间阶段。下 面就图2 1 2 做一些说明。 图的左边是一个设备向主机发送数据的过程。首先主机向设备发一个i n 令 牌( t o k e n ) ，表示主机要求设备向它发送数据。而后在正常情况下，设备向主机 发送一个数据包( p i d 以d a l 、a 0 和d a l l a1 交替) 。如果设备当时正忙或端点暂时 被停用，则它向主机返回n a k 握手信号或s t a l l 握手信号。主机成功接收到 数据后，它向设备返回a c k 握手信号。如果数据有误，则主机没有任何动作。 图的右边是一个主机向设备发送数据的过程。首先主机向设备发一个0 u t 令牌( t o k e n ) ，表示主机要求向设备发送数据。而后主机发送一个数据包( p i d 以 d a l h a o 和d a l a1 交替1 。设备成功接收到数据后，它向主机返回a c k 握手信号。 如果设备当时正忙不能接收数据，则它向主机返回n a k 握手信号。当设备出现 问题或端点暂时被停用，则返回s t a l l 握手信号。如果数据有误，则设备没有 任何动作。 图2 1 2 批量事务传输结构 f i g2 1 2b u l kt r a n s a c t i o nf o r m a t 2 6 2 建立事务传输结构 图2 1 3 表示的是一个建立事务( s e t u pt r a n s a c t i o r l ) 传输过程，它主要用于控 制传输的第一个阶段。首先是主机向设备的端点0 发送一个建立连接令牌( s e t u p t o k e n ) ，表示主机要对设备进行一项基本的控制操作。而后主机以p i d 为d a l a 0 向端点o 发送一个8 字节的s 刖p 数据包。包的内容指定要进行什么操作。设 备只要接到s e t u p 令牌就必须马上接收s e t u p 数据包，并返回a c k 握手信号。 2 6 1 3 同步事务传输结构 图2 1 4 是一个同步事务传输的结构。这种传输事务用于同步传输中。它的 数据采集与处理系统的u s b 接口技术研究 突出特点是没有握手信号，传输只由i n o u t 令牌和数据包组成。 图2 1 3s e t u p 事务结构 f i g2 - 1 3c o n t r o ls e t u pt r a n s a c t i o n 图2 1 4 同步事务传输结构 f i g2 - 1 4i s o c h r o n o u st r a n s a c t i o nf o r m a t 2 7 四种传输方式 这一节分别说明控制传输( c o n 廿0 1t r a n s f e r ) 、批量传输( b m kt r a n s f e r ) 、中断 传输( i n t e m l p