（生物医学工程专业论文）基于usb接口的便携式温度记录仪的研究.pdf

as t u d yo fp o r t a b l et e m p e r a t u r el o g g e rb a s e du s bi n t e r f a c e ( a b s t r a c t ) a p p l i e dt os t o r i n ga n dt r a n s p o r t i n gm e d i c a lm a t e r i a l ss u c h a sb l o o dp r o d u c t s ， b i o l o g i c a la g e n t sa n dv a c c i n e s ，c o l dc h a i ns y s t e mh a sm a d eag r e a tp r o g r e s si nr e c e n t y e a r s c o l dc h a i ns y s t e mi sc o m p o s e do fas e r i e so fe q u i p m e n t s ，r e l e v a n to p e r a t i o n s t a f f s a n d p r o c e d u r e s f o r r e f r i g e r a t i o n a n d t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g t e m p e r a t u r e m o n i t o r i n ge q u i p m e n th a sb e e r ii n v o l v e di nc o l d - c h a i ns y s t e m ，b u tc h i n a i si nap o o rp o s i t i o ni nt h i sf i e l d i nt h i sp a p e r , an o v e lt e m p e r a t u r el o g g e ri ss t u d i e d t h et e m p e r a t u r el o g g e rc o n s i s t so f t h eh a r d w a r ep a r ta n dt h es o f t w a r es y s t e m t h e h a r d w a r ep a r ti sam c us y s t e mw i t ht e m p e r a t u r em e a s u r e ，m e m o r y , c o m m u n i c a t i o n a sa p o r t a b l ed e v i c ep o w e r e db yt h eb a k e r y , c o r i a p a r e dw i t ho n e si ne x i s t e n c e ，t h eh a r d w a r e p a r th a sb e h a v i o r so fs m a l l e rv o l u m e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o na n dn oo p e r a t i o nb y h a r d w a r e t h ei n t e r f a c ew i t hc o m p u t e ri su s b ，w h i c hi sn e ws t a n d a r di n t e r f a c eo f m a n y g o o dc h a r a c t e r i s t i c s a n di tm a d et h eo p e r a t i o no ft h el o g g e re a s i e r t h ep a r a m e t e r s s e t t i n ga n du l t i m a t ed a t ap r o c e s s i n go f t h et e a n p e r a t u r el o g g e ra r ec o m p l e t e dt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o ni nc o m p u t e r t h ep a r a m e t e r so fa p p l i c a t i o ni sw r i t t e ni nh a r d w a r eb yu s b i n t e r f a c e a f t e rt h ej o bi sf i n i s h e d ，t h ed a t ai sr e a db yu s b ，s h o w na n dg a t h e r e di n f i g u r e sa n dt a b l e sb yt h ea p p l i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o nb a s e do nv i s u a lb a s i ch a sa f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n di sm a n e u v e r a b l e am o d e lm a c h i n ew i t hh i g ha v a i l a b i l i t yi s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r , w h i c h r e a c h e sd o m e s t i ch i 曲l e v e l d u r i n gt h ep r o c e s so f t h el o g g e rd e v e l o p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o n so f u s bt e c h n o l o g y a n dl o w p o w e r - c o n s u m p t i o nt e c h n o l o g ya r es t u d i e d a p p l i e dw i d e l yi np o r t a b l es y s t e m s ， t h e s et e c h n o l o g i e sa r ea t t a c h e dm o r ei l n p o r t a n c ct ot h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a l e q u i p m e n tw h e nm e d i c a le q u i p m e n ti n t e n d s - t ob em i n i a t u r i z e da n dp o r t a b l e k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r e ，l o g g e r , u s 3i n t e r f a c e ，l o w - p o w e r - c o n s u m p t i o n ，d a t a p r o c e s sa p p l i c a t i o n i i y 9 5 7 5 0 2 军事医学科学院研究生学位论文独创性声明 秉承军事医学科学院严谨的学风和科研作风，本人声明所呈交的 学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得芏主堕堂盘堂堕或其它 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。 论文作者签字：詹论签字日期：皇! ! 年三月! 卫日 军事医学科学院研究生学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解芏空堕茔叠堂瞳有关保留、使用学位 论文的规定。特授权星空匡鲎登鲎堕可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编以供查阅和借阆。同意将本学位论文的复印件和磁盘送 交国家有关部门和机构。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签字：盔垒 指导教师签字：耋坦 签字日期：丛年三月! l 日 签字日期：生年生月二日 第章引言 1 1 课题背景 第一章引言 在医学领域中，存在着大量的对温度敏感的物品，例如疫苗、血液、生物制 剂等，它们通常要求从生产的首端到使用的末端全程处于相对恒温的条件下，以 保证其有效性。为了实现这种条件要求，需要在不同的阶段，如生产、保存、运 输等，采用一系列的制冷及温度监测设备，这些设备的接续使用构成了一个完整 的链条，这就是通常所说的冷链。冷链设备配合相应的操作人员与操作规程构成 了一个冷链系统。 冷库、冷藏车、冷藏箱、冷藏包等设备是主要的冷链设备，它们保证了储藏 品的低温条件；另一方面，冷链系统要求具有全程的低温环境，如何知道是否达 到这一要求就需要对冷链的全程进行温度的监测，因此温度记录监测也是冷链系 统不可缺少的重要一环。 在冷链系统的发展初期，温度的记录监测是依靠监测人员定时读取温度计( 如 酒精、水银温度计) ，并将参数记录到表格中实现的。这种方法不仅要耗费巨大的 人力，而且结果的准确性也不能有很好的保障，并且监测的时间间隔不可能太短， 时间跨度较大。 随着技术的发展，出现了自动温度记录仪，它极大的改善了人工操作的弊端， 也对冷链系统的发展起到了促进作用。现在，形形色色的温度记录设备几乎成了 冷链系统不可或缺的设备。 各种技术的进步使人们对温度记录仪也提出了更高的要求，除了基本的温度 记录功能外，人们还希望它在外形上能够更小巧，便于携带；在功能上能够更强 大，提供多种方式的数据处理方法；在使用上更方便，只需简单的操作即可完成； 在工作时间上更持久，具有低能耗的特点。本课题的研究正是以以上四点要求为 基本出发点，着力于开发出一种符合当今技术潮流的新型温度记录仪。 1 2 研究发展现状 从世界范围来看，冷链系统的发展已经具有几十年的历史了，如今在较发达 的国家已经形成了较为完备的冷链系统，基本可以保证冷链的连续性，同时在冷 链的监测设备方面也具有了比较全面的发展。 这些监测记录设备从测温原理分有以下几种：， 一种是利用温度试纸。当温度发生变化时，试纸的颜色也随之发生改变，并 第一章引言 且这种改变具有不可逆性，以此记载过程温度的极限值，衡量储存品的保存条件 是否达标。这种乃法能够清晰方便的记录下整个过程中温度的极限值，但并不能 反映整个过程的变化趋势，具有一定的局限性。 近些年来，在冷链系统中已经普遍采用电子化的自动温度监测仪，温度测量 使用温度传感器来实现。较早的温度传感器是模拟量的温度传感器，它们相对具 有较高的灵敏度，但是由于器件差异等因素，测量的精度较难保证。近几年的新 产品多采用数字式的温度传感器，它用数字量对温度值进行记录，提高了传感器 的抗干扰能力，并且更容易利用单片机等对数据进行处理，一些传感器还可以通 过软件修正提高测量的精度。 在温度值的记录介质方面，也存在着多种的形式。其中有采用纸带式的，如 美国的r y a ne z t 、u n i v e r s a l k 等产品，这种产品通常是直接将温度的变化曲线绘 制在纸带上。这种记录方式虽然不再需要其他设备的配合就能完成工作，但是记 录的数据量有限且仪器的体积较大，给使用上带来了不便。 现在通常采用的记录方式是将数据存储在存储芯片中，然后在记录完成后用 计算机读取数据并做进一步的处理。这种方式可以在较小的空间中实现大数据量 长时间的记录，并且利用数据处理软件可以对数据进行灵活的处理分析。在此类 产品中，目前大多数的产品仍然使用r s 2 3 2 串行口与计算机连接，如d d t a t r a k 系列等。就目前的计算机接口发展趋势来看，r s 2 3 2 串行口已经日趋落后，在某 些笔记本电脑上已经不再配置r s 一2 3 2 串行口，而且r s - 2 3 2 串行口的体积相对较 大，不利于产品的微型化。因此，目前也在研制一些具有新型接口的记录仪产品， 比如使用u s b 接口等形式。 我国的冷链系统起步较晚，在医药领域的应用也仅是从上世纪8 0 年代中期 展开的。经过2 0 年的发展，虽然在这一领域取得了长足的进步，但同国外相比仍 然有着一定的差距。在主要的冷链制冷设备方面，我们目前基本只能保障在冷链 的上游有较为完整的设备维持冷链链条，再向下游则经常无法保证冷链链条的持 续，也就是说经常会出现断链的状况。而对那些温度敏感的物品来说，譬如血浆、 疫苗等，一旦失去低温的保存环境，它们将很快的变性失效，而且这一过程是不 可逆转的，即使再放回低温环境也是无法恢复的。因此，这就需要对冷链的全程 进行严格的温度监测，温度记录仪正可满足这一要求。但是，就我国目前在此领 域的发展来看，也同样落后于国外发达国家。我国当前使用的温度监测记录设备 大多数依赖进口，自主研发的产品较少。为了解决中国计划免疫工作冷链系统中 疫苗在各环境中的温度监测，受卫生部疾病控制司项目办公室的委托，河南金智 企业公司研制了w d j l q 2 型温度记录器，它填补了我国在这一领域的研发空白。 但是这一产品也显出了一些缺陷，如它与计算机的接口仍采用r s 2 3 2 串行口，使 第一章引言 用上不太方便，传输数据的速度也不是很高，但对于其不高的数据存储量来讲， 这一问题还不是很突显；它的数据处理软件由于使用的开发工具与当前的相比已 颇显落后，故只能在w i n 9 8 以下的系统中正常使用，对当前流行的操作系统支持 能力较弱，极大的限制了对它的使用。因此，我们有必要大力的发展我们自主研 发的冷链温度监测记录产品，完善在这一领域的设备。 1 3 本课题的研究内容 本课题通过研发一种新型的温度记录产品，对u s b 技术及便携式系统开发 技术进行了研究。 本课题所研发的温度记录仪是一种放置于监测环境中的温度记录仪，因此与 常规的一些温度记录仪相比，它具有一些独特的特点。因为该记录仪是放置在监 测环境内部使用，例如冷藏箱、冷藏包等内部，所以该记录仪的温度传感器是集 成在器件内部的，而不是采用的温度探头方式。同时与一些多通道温度采集系统 不同，该记录仪为单通道温度采集，采用单通道使得该记录仪的应用更为灵活， 可根据监测环境的不同使用不同数量的记录仪分别放置于监测点即可，并且各器 件间是独立工作，不会出现个别器件故障造成整个系统故障的情况。此外，根据 它放置于监测环境内部使用的方式，该记录仪也没有设置实时温度显示，最终的 数据显示是通过计算机端的数据处理程序完成的，并且整个记录仪除设置一个电 源开关外没有其他的任何硬件操作，所有的操作均通过计算机来完成。 全篇论文分为两大部分：基础原理部分和实际系统的实现部分。在基础原理 部分对u s b 技术和便携式系统的关键技术进行了阐述；在实际系统的实现部分， 从硬件电路的设计、固件程序的编写及数据处理系统的开发等方面对记录仪系统 的软硬件实现进行了详细地说明。 第二章u s b 总线技术简介 第二章u s b 总线技术简介 2 1u s b 总线技术的发展过程 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) 是目前在p c 机上应用极其广泛的 外设连接总线标准。在u s b 出现之前，p c 机使用着各种各样的接口，其中主要使 用的是r s 2 3 2 串行口、打印机并行口、p s 2 、s c s i 口等接口，它们存在着以下几 方面的问题： 1 端口扩充问题。外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着，缺 少一个双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制t c b 围设备( 诸如电话、电 传、调制解调器的适配器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接只可对极少 设备进行优化，对于p c 机新功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需 要。 2 易用性问题。众所周知，p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形 化接口和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突已大量 减少，且易于改装。但是以终端用户的眼光来看，p c 机的输入输出，如r s 2 3 2 串行口、并行端口、键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性。 3 计算机的通讯问题。用计算机来进行通信，将是未来计算机基本的应用。 机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。然而，由于目前 产业间的相互独立发展，尚未建立统一的标准。 为了解决以上几方面的问题，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等几家公司 联合于1 9 9 6 年公布了u s b l 0 版规范，其后是几年开发和预开发，因此遵循u s b l 0 版规范的产品并不是很多。1 9 9 8 年，这几家公司又推出了u s b l 1 版规范，这个 版本修补了1 0 中的问题。并且由于从w i n d o w s 9 8 s e 操作系统开始对u s b 有了较 好的软件系统支持，也促进u s b 开始变成了一种流行的接口。这种局面也使得 u s b l 1 版规范成为了第一个被业界普遍遵循的u s b 总线规范，至今仍有大量的符 合u s b l 1 规范的产品在开发与制造。 u s b l 1 的成功使得它得到了极大的发展，应用的领域也不断得到拓宽，从 最初的键盘、鼠标等设备拓展到了大容量的存储设备、视频设备等领域。但是新 的问题随即出现了，由于u s b l 1 的速度最高只有1 2 m b p s ，在应对这种大数据量 传输中己显得力不从心。同时，i e e e l 3 9 4 接口凭借其4 0 0 m b p s 的传输速度对u s b 总线技术提出了巨大的挑战。为了改变这种情况，原有的四家公司联合了惠普、 朗讯和飞利浦三家公司，于2 0 0 0 年公布了u s b 2 0 规范。在u s b 2 0 规范中，u s b 第二章u s b 总线技术简介 总线的最高传输速度提高到了4 8 0 m b p s ，这样就为它在视频、图像处理等需要较 高的数据传输率的领域中的应用扫除了主要的障碍。 直到u s b 2 0 版规范，u s b 的通讯也只能在主机与设备之间进行，无法像 i e e e l 3 9 4 接1 2 1 那样进行任意类型设备的点对点通信，因此限制了它在某些领域的 应用。为了突破主机的约束，使u s b 设备也能进行任意类型设备的点对点通信， u s b 论坛于2 0 0 1 年发布了作为u s b 2 0 补充的u s bo t g l 0 规范，并于2 0 0 3 年修 订为u s bo t g l 0 a ，它的制定为日益普及的手持设备发展带来了巨大的福音。 随着需求的拉动与技术的进一步发展，u s b 技术将进一步得到完善。 2 2u s b 总线技术概况 虽然经历了近十年的发展，u s b 技术有了很多改观，但其基本的原理并无太 大变化，因此本文中对u s b 技术的介绍将以u s b l 1 规范作为基准。 2 2 1u s b 的设计目的 设计u s b 的目的就是使不同厂家所生产的设备，可以在一个开放的体系下 广泛得到使用。该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为o e m 生产商和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场， 而不必使用陈旧的接口，并提供良好的兼容性。 2 2 2u s b 的设计准则 u s b 的工业标准是从c t i 、用户及生产应用等几方面对p c 计算机现有的体 系结构的扩充。u s b 的设计主要遵循以下几个准则： 易于扩充多个外围设备； 价格低廉，且支持1 2 m b p s 的数据传输； 对音频和压缩视频等实时数据的充分支持； 协议灵活，综合同步和异步数据传输； 兼容不同设备的技术； 综合不同p c 机的结构和体系特点； 提供一个标准接口，广泛接纳各种设备； 赋予p c 机新的功能，使之可以接纳许多新设备。 2 2 3u s b 总线技术的特点 目前的计算机与外设间的接口仍存在着较多的种类，常用的有r s 一2 3 2 、打印 第二章u s b 总线技术简介 并行口、红外接口等等，它们各自有其特点与应用领域，表2 1 对u s b 和其它的 通用计算机接口进行了比较。 表2 - 1u s b 与通用计算机接口比较 设备数目晟大长度最大速度 接口格式通常用途 ( 最大) ( 英尺) b p s ) 15 m 1 2 m ( 2 0鼠标、键盘、磁盘驱动器、 u s b异步串行1 2 71 6 版可达4 9 0 m ) 调制解调器、视频 r s - 2 3 2异步串行25 0 1 0 02 0 k 调制解调器、鼠标、工具 r s - 4 8 5 异步串行3 2 单元负载 4 0 0 0 1 0 m数据获取和控制系统 i r d a 红外异步串行 261 1 5 k 打印机 s p i 同步串行 81 0 2 1 m微控制器通信 1 2 c 同步串行 4 01 84 0 0 k 微控制器通信 i e e e - 1 3 9 4串行6 41 54 0 0 m视频 以太网串行1 0 2 41 6 0 0 1 0 m 1 0 0 m 1 g网络通信 m i d i 串行电流循环 25 03 l5 k 音乐、显示控制 并行端口 并行 2 或81 0 - 3 08 m 打印机、扫描仪 从表2 1 中可以看到，u s b 可以适用于多种领域的应用，之所以可以在这么 广泛的领域中得以应用，是因为u s b 技术所具有的一些优秀的特点决定的。下面 将对这些特点进行简要的介绍。 1 易于使用 易于使用是u s b 的主要设计目标之一，由于这一点，这个接口受到了使用 者的欢迎。其易于使用的特点体现在如下方面： 接口适合多种设备。正如其名称一样，u s b 是一种通用的接口，很多种外设 都可以使用它，不需要为每个外设准备不同的接口和协议。 自动配置。当用户将u s b 外设连接到正在运行的系统时，系统能自动检测 外设，并载入合适的驱动程序。外设在第一次连接到系统时，对于某些设备，系 统会提示用户提供驱动程序，但除了这次以外安装都是自动的。在连接入系统后 也不需重新启动系统。 不需要用户设定。u s b 外设没有需要用户选择的设置，例如端口地址和中断 请求( i r q ) 线。 为其它设备空出硬件资源。所有连入系统的u s b 设备只使用一根i r q 线， 所以让尽可能多的外设使用u s b ，可使i r q 线空闲出来供那些必须使用i r q 的外 设使用。 易于连接。有了u s b ，就不需要再打开计算机的机箱去为每个外设增加扩展 第二章u s b 总线技术简介 卡，只需通过已有的u s b 接口就可连接。 接口简便。与典犁的r s 2 3 2 和并行接口相比，u s b 接口很小巧，为外设的 开发带来了好处。 支持热插拔。这是u s b 尤为突出的一个特点。你可以在任何时候连接和断 开外设，不管系统和外设是否开机，都不会损坏p c 或外设。 2 速度 一个全速u s b 接口可以以1 2 m b p s 的速度进行通信。实际数据传输速率比这 个数值要低一些，因为总线除传输数据外，还必须携带状态、控制和错误检测信 号，因此最大的理论数据传输率可达到9 6 m b p s 。 u s b 也支持1 5 m b p s 的低速传输，这通常用于键盘、鼠标等外设。低速外设 的电缆可以更灵活，因为电缆不需要屏蔽。 在u s b 2 0 中增加了一种高速传输模式，它的传输速率达到了4 8 0 m b p s ，这 使得u s b 对打印机和其它需要快速传递大容量数据的外设更具吸引力。 3 可靠性 u s b 的可靠性来自于硬件设计和数据传输协议两方面。u s b 驱动器、接收 器和电缆的硬件规范消除了大多数的可能引起数据错误的噪声。此外，u s b 协议 使用了数据错误检测，并能通知发送者，因此它可以重新发送。检测、通知和再 发送都是由硬件来完成，不需要任何程序。 4 低成本 虽然u s b 比以前的接口更复杂，但它的组件和电缆并不贵。带有u s b 接口 的设备与带有相同功能的老接1 2 1 的设备所需的费用差不多是相同或更少一些。 5 低功耗 当u s b 外设不被使用时，省电电路和代码会自动关闭它的电源，但仍然能 够在需要的时候做出反应。除了具有降低电源消耗带来的保护环境的好处之外， 这个特征对于利用电池的设备尤其有用。 2 3u s b 的体系结构 u s b 使用方便是建立在复杂的技术上的。为了开发u s b 产品，需要了解很 多u s b 的协议规定，并且它的编程复杂度也较以前更为提高。下面，对u s b 的体 系结构及相关的重要概念作简要的介绍。 2 3 1u s b 系统的描述 一个u s b 系统被定义为三个部分：u s b 的互连；u s b 的设备；u s b 的主机。 第二章u s b 总线技术简介 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： 总线的拓扑结构，即u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 内部层次关系，根据性能的层次划分，u s b 的任务被分配到系统的每一个 层次； 数据流模式，描述了数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方 式； 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，并且避免了优先级判别的开销。 u s b 的设备可以分为两类：网络集线器和功能器件。网络集线器向u s b 提 供更多的连接接口；功能器件则为系统提供具体的功能，如键盘、鼠标等。 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，主机控制器由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的， 用以提供更多的连接点。 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接：从主机到集线器或其功 能部件：从集线器到集线器或其功能部件。从图2 1 中可看出u s b 的拓扑结构。 个。 图2 1 总线的拓扑结构 3 t i e r 4 u s b 的这种拓扑堆叠层次最多可达7 层，连接的u s b 设备理论上可达到1 2 7 第二章u s b 总线技术简介 2 。3 2u s b 的接口特性 u s b 传输信号和电源是通过一种四线的电缆实现的，图2 2 中的d + 、d 一两 根线用于传输信号。 v b u s d + d g n d 图2 - 2u s b 的电缆 v b u s d + d g n d 在u s b l 1 中有两种数据传输速率，全速速率定为1 2 m b p s ，低速速率定为 1 5 m b p s 。到u s b 2 0 时增加了一种高速传输速率，其速率为4 8 0 m b p s 。 低速模式需要更少的e m i 保护。各种模式可在用同一u s b 总线传输的情况 下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模 式只支持有限个低带宽的设备( 如鼠标) 。时钟信号被调制后，与差分数据一同被传 送出去，时钟信号被转换成n r z i 码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数 据包中附有同步信号，以便收方可还原出原时钟信号。 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。 u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。为了保证足够的输入电压和终端阻 抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分 离，并区分出高速、全速或低速设备。 在u s b 电缆两端是u s b 连接器，u s b 的连接器分为上行连接器与下行连接 器。所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器不可简单的互换， 这样就避免了集线器间非法的循环往复连接。连接器有四个方向，具有屏蔽层， 以避免外界干扰，并有易拆装的特点。 2 3 3u s b 的电源 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的u s b 设备提供电源供其使用。每个u s b 设备都可以有自己的电源。那些完全依靠电缆 提供能源的设备称作“总线供电”设备。对总线供电设备，通常总线提供1 0 0 m a 的工作电流，总线为设备提供的最大工作电流可达5 0 0 m a ，常见的这类设备有键 盘、鼠标、磁盘驱动器等。相反，那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设 第二章u s b 总线技术简介 备，这类设备如打印机等。自供电设备可以在任何时间从总线上取得不超过1 0 0 m a 的电流，这使得设备在刚开始与主机通信时可使用总线电源。集线器也可由与之 相连的u s b 设备提供电源。当u s b 设备在总线上处于空闲状态超过3 m s 时，则 设备将进入挂起状态，在挂起状态，设备消耗的电流不会超过5 0 0 ua 。 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 的系统软件可以与 主机的能源管理系统结合共同处理各种电源事件，如挂起、唤醒等。此外，u s b 设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件控制其电源管理。 u s b 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源敏感系统中，如采用 电池的笔记本电脑和其它便携系统。 2 4u s b 的数据传输 u s b 的数据传输是一个较复杂的过程，在本节将对这一过程及相关的概念作 出简要地介绍。 2 4 1u s b 数据传输模型 u s b 提供了在一台主机和若干台附属的u s b 设备之间的通信功能，从终端 用户的角度看到的u s b 系统，可简单地用图2 3 表示。 图2 - 3u s b 主机设备的简单模型 但是在实现上，具体的系统要比这复杂，不同层次的实现者对u s b 有不同 的要求，这使得我们必须从不同的层次观察u s b 系统。根据功能层次的划分和数 据流的流动形式，u s b 系统可用图2 - 4 来表示。 图2 - 4 给出了基本的u s b 通信模型，从中我们可以看到数据在主机与设备之 间是如何流动的，同时这种数据的交换也有着层次之间的逻辑对应。虽然从这个 图中看到的数据通信并不复杂，但是它隐藏了许多复杂的通信细节，在图2 5 中将 给出具有u s b 通信细节的通信模型，它是对图2 4 的扩充。 第二章u s b 总线技术简介 iii ：一 li ll i 量掣：i 。 u s b 功能层 t 车一 il 一 一lu s b ：- l u s b 设备层 - 兰掣；一t j ! i 妻s b 丰棚摔制嚣j 一lu s b 总线接口lu s b 接口层 s2 - 卜= = = = = = i 实际数据流逻辑数据流实现区 图2 4u s b 通信模型 介数据传递机制 ul u s b 相关的数据传输 图2 - 5u s b 主机设备通信细节模型 第二章u s b 总线技术简介 图2 - 5 展示了较为详细的u s b 通信模型，从中可以看出为实现用户方便的通 信所付出的技术复杂度。在图2 - 5 中还涉及到了一些u s b 通信特有的概念，下面 将对其中的关键概念作出阐述。 2 4 2u s b 数据传输涉及的基本概念 1 设备端点( d e v i c ee n d p o i n t s ) 设备端点在u s b 协议中被定义为一个u s b 设备中的唯一可寻址部分，是主 机与设备之间通信流的信息源或接收器。所有的数据传输都是传送到一个设备端 点，或是由一个设备端点发出。通常设备端点是数据内存的一块，或是控制器芯 片内的一个缓存区，用来作为数据的缓冲区。存储在端点的数据可以是接收到的 数据或等待发送的数据。主机由缓冲区来保存接收到的数据和准备发送的数据， 但是主机并没有端点，而是把它当作与设备端点通信的出发点。从定义中我们可 以看出端点只能携带单向的数据，然而，控制端点是一个例外，它是双向的。 每一个设备端点必需的唯一地址是由一个端点号码以及方向组成的。端点号 码的范围从0 0 h - 0 f h 。输入与输出的方向，是以主机的观点来看。方向如果是输入 ( i n ) ，表示流向主机，如果是输出( o u t ) ，表示流出主机。如果是作为控制传输的 端点，必须设置成双向传输，所以一个控制端点会有一对输入与输出端点，来分 享同一个端点号码，可以同时支持输入与输出端点地址。 每个设备配置端点0 为一个控制端点，其数据传输是双向的。其它的端点传 输类型都是单向传输数据。一个单一的端点号码可以支持i n 和o u t 端点地址， 例如一个设备的端点1 可以支持一个i n 端点地址来传输数据到主机，同时支持一 个o u t 端点地址来从主机发送数据。 2 管道( p i p e s l u s b 的管道不是一个实际的对象，它只是设备端点与主机控制器的软件之 间的连接。管道是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，而管道则侧重于动态的概念。在一个传输 发生之前，主机与设备之间必须先建立一个管道。主机建立管道的时机，是在系 统启动之后或是设备连接的时候。每一个设备都会有一个默认控制管道，此默认 控制管道使用端点0 。当设置需要等时传输或中断传输的管道时，主机只有在总线 有足够的带宽来满足要求速率传输时，才会接受该要求的设置。 除了以传输类型来分类的管道外，u s b 规范还定义了消息管道和流管道。 消息管道是双向的管道，流管道是不定向的管道。控制传输是唯一使用双向的消 息管道的传输，其它的传输则是使用单方向的流管道。 3 事务( t r a n s a c t i o n l 第二章u s b 总线技术简介 u s b 规范将事务定义为向端点的服务传输，它是由一个标志包、一个可选 的数据包以及一个可选的握手包绢成的。这里的服务指的是主机传送信息给设备， 或是主机要求从设备接收信息。任何一个传输都包含一个或多个事务，事务的类 型有三种：i n 、o u t 和s e t u p 。1 n 事务是从设备接收数据，o u t 事务是传送数据 到设备。s e t u p 事务是一个特殊情况，虽然它也是从主机传输到外设的，但是它启 动了一个控制传输。设备需要识别s e t u p 事务，它也是唯一必须总是接受的事务。 任何传输都可以使用i n 或o u t 事务，但只有控制传输才可以使用s e t u p 事务。 当一个设备收到包含它地址的o u t 或s e t u p 事务时，硬件为端点把接收的数 据储存在适当的位置，然后触发一个中断。设备的中断服务例程会处理接收到的 数据，然后作适当的处置。当设备收到包含它地址的i n 事务时，如果设备有准备 传送给主机的数据，它会从指定的端点送出数据，然后触发一个中断。设备的中 断服务例程会做适当的处置，然后准备下一个i n 事务。 一个事务是单一的通信，必须被无中断的完成。在总线上的其它通信，不能 插入一个事务中间。设备必须能快速的提供被请求的数据或状态信息，这意味着 尽管程序代码可能会准备一个端点来响应事务的请求，但通常是由硬件来处理这 个实际的响应。少量的数据传输可能仅需一个事务。若数据量很大，传输可能分 成多个事务，将数据分配在每一个事务内。 4 信息包( p a c k e t ) 信息包是一个定义格式的信息块，它是由控制信息、数据信息、错误校验三 部分组成的。信息包、事务及传输之间的关系如图2 - 6 所示。 每个传输由一个 或多个事务组成 每个事务包括一个标 记包，也可能包括一 个数据和或握手包 括一个p i d ，也可 它信息和c r c 位 图2 - 6 传输、事务和信息包的关系 第二章u s b 总线技术简介 信息包分为标记包、数据包、交换包、帧起始和低速先导五种类型。不同的 包类型含有不同数量与类型的数据域。除了最后一个数据信息包，所有数据信息 包都必须和最大信息包大小相同，所以当设备传回来的数据量比要求的字节少时， 在响应下一次的输入标记包时，设备会传回一个零字节的数据包，来指明数据传 输完毕。 2 4 3u s b 数据传输类型 当主机的一个设备驱动需要与设备通信时，它启动一个传输。规范定义了一 个传输为发起和执行一个通信请求的过程。规范中将传输分为四类：控制传输、 批量传输、等时传输和中断传输。它们各有其不同的应用场合和传输方式。 1 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 任何一种u s b 接口的设备都默认支持控制传输，控制传输是u s b 传输中 最重要的传输类型。控制传输提供了一种方法来配置u s b 设备，并对它操作的某 些方面进行控制。每个设备都必须实现一个缺省的控制端点( 0 号端点) 。控制端点 是双向传输的，它用来配置设备，控制设备状态，以及该设备操作的其它方面。 控制端点响应一些u s b 特殊请求，这些特殊请求通过控制传输发送。 控制传输至少由两个阶段组成，也有可能是三个阶段。1 ) 建立阶段：控制传 输总是从建立阶段开始。本阶段把信息传输给目标设备，定义对u s b 设备的请求 类型；2 1 数据传输：这个阶段仅仅是为要求数据传输的请求定义的。例如，在数据 阶段，读描述符的请求把描述符的内容发送给系统。一些请求在建立阶段之外不 要求数据传输。3 ) 状态阶段：这个阶段总是用来报告被请求的操作的结果。 主机控制器保留了部分总线带宽给控制传输使用，对于低全速预留1 0 ，对 于高速预留2 0 。如果总线有额外的带宽，控制传输可获得高于预留的带宽。控 制传输中数据包的大小较小，因此它不是传输数据的最有效方法。在低速设备中， 数据包的最大只是8 字节：在全速设备中，数据包的最大值可以是8 、1 6 、3 2 、6 4 字节；在高速设备中，数据包的大小必须是6 4 字节。 如果一个设备在一个控制传输中没有返回一个预期的交换包，那么主机控制 器将再试两次。如果主机在重试三次后仍没有接收到响应，那么它通知那个需要 传输的软件，停止与终端的通信直到问题解决。 2 批量传输( b u l kt r a n s f e r ) 批量传输对传输没有严格时间要求的数据很有用。批量传输可以发送大量的 数据而不会阻塞总线，因为这个传输会被其它类型的传输而延迟，并且会等到总 线可用的时候再传输。例如打印机就是一个典型的批量传输的应用，一定的延迟 并不会对它造成大的影响。在一个空闲的总线上，批量传输是很快的。批量传输 第二章u s b 总线技术简介 只能在全速与高速设备中使用，低速设备不能使用批量传输。 批量传输是单向传输的，它南一个或多个i n 或o u t 事务组成，每个方向的 数据传输都需要一个独立的流程和传输。批量传输以以下两种情况之一结束：当 请求的数据量被传输，或者当数据包大小小于最大值。 主机控制器保证批量传输最终可以完成，但并不为这个传输保留任何带宽。 因此如果一个总线很忙，则批量传输可能要花费很长时间。然而，当总线空闲的 时候，批量传输可以使用任何类型的最大带宽，它们有一个很小的头，因此它们 是所有类型中最快的。全速设备中批量传输的数据包最大值可以是8 、1 6 、3 2 、6 4 字节；高速设备中的数据包大小必须是5 1 2 字节。 批量传输使用错误检测。如果一个设备没有返回预期的交换包，主机控制器 最多重试两次。批量传输也使用c r c 校验来确保没有丢失数据。 3 等时传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 等时传输是流、实时传输，适用在以固定速率或特定时间内传输，可以容忍 偶尔错误的数据上。等时传输的典型应用是语音、图像设备。等时传输的速率是 恒定的，因此它的完成时间是可以预测的。等时传输也是单向的。在每个传输事 务中只包含两个信息包，标志包与数据包，而没有握手包。 在u s b 上，等时传输是经过安排后按照一定的规则执行于连续的时间片上 的，每个时间片为l m s ，这就保证了传输可以维持个恒定的速率。在全速设备中， 等时传输的包最多可传输1 0 2 3 个字节；高速设备中则可达到1 0 2 4 字节。 一个恒定的数据传输率对于等时传输来说是至关重要的，所以等时传输不支 持错误检测和错误恢复。错误恢复要求在错误被检测到时，重新传输数据。但进 行重新传输可能会导致来自u s b 设备的数据率和来自应用程序或目标设备的数据 率之间失去同步。因而，它不允许重新传输。 4 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r l 中断传输对于在一个规定的时间里传输一个中等数量的数据是很有用的。通 常应用于键盘、鼠标和其它指针设备和集线器状态报告中。中断传输也是单向的， 在两个方向传输数据时需要两个独立的流程和传输。各种设备都支持中断传输。 实际上，中断传输并不支持硬件的中断，它只是靠主机以周期性的方式轮询 来知道是否有设备需要传送数据给主机。在这里有一个参数很重要，就是轮询周 期，如果设的太低的话，数据可能会丢失掉，要是设的太高，又会占去太多的总 线带宽。对全速设备来说，轮询周期可以是1 到2 5 5 m s 之间的任何值；对低速设 备轮询周期可以是1 0 到2 5 5 m s 的任意值。中断传输中，低速设备的包最大值为8 字节；全速设备可使用1 到6 4 字节之间的最大包大小；高速设备则可达到1 0 2 4 字节。 第二章u s b 总线技术简介 如果设备没有返回个预期的交换包，则主机控制器将最多重试两次。中断 传输也可以使用c r c 校验来确保所有的数据都被正确无误的接收到。 2 5u s b 的枚举 u s b 支持热插拔、不需用户配置是其显著的特点，这些的实现与u s b 的枚 举是分不开的。通过枚举过程，主机可以发现连接设备的变化情况，并且对新接 入的设备进行配置。枚举过程是一个较为复杂的过程，它需要经过以下的步骤来 完成： ( 1 ) 用户插入一个设备到u s b 端口。此时集线器给这个端口提供电源，设各 处于上电状态。 ( 2 ) 集线器检测到这个设备。集线器监视着它的每个端口的信号线的电压。当 个设备插入到一个端口中时，设备的上拉电阻使信号线为高，使得集线器可以 检测到