（系统工程专业论文）基于USB的瞬态信号数据采集系统的设计与实现.pdf

西南交通大攀硕圭磷究生学彼论文第 癸 摘要 髓羞计算机、微媳子、囊动控制等技术鑫勺发展， 乍为信息技术的重要 手段，数据采集技术正在向集成化、数字化、标准化方向发展。对于一般 的数据采集任务有通用的数搬采集系统可供选用，但是考虑到数据源以及 雳户需求豹多榉牲，瓣蘸逶穗豹采集设备不会惑钱满足掰蠢要求。本文言李 论的是一个瞬态信号的数据采集系统。 本设计的初衷是研制一个桩基础无损检测仪。糖基础梭测技术是工程 界十分关心的问题，也是长期以来图内外学者、研究人员所从事斡一个研 究课题。从检测设备的角度糟，测量精度高、动态范围大的数据采集系统 是穰萋稿检测皴术懿蕊萋窭。溺辩，硷溺系统设诗中蘩考虑褒殇测试豹条 譬， 使整个系统结构紧凑，携带方便，可与计算机实现快速、简捷的遗接。所 以，数据采集邀爨研制和设计数据传竣方式是论文工 乍的主要内容。 在数据采集电路设计中，采用了浮点放大投术来提离系统的动态范 围；通过引入可编程逻辑器件来实现触发控制、存储控制；采样过程中应 雳了时滓重爨技术，觚嚣实现了数撰采集系统懿浚东线馋戴方式。系统采 用新型的集成了完整1 2 位数据采集系统的a d u c 8 1 2 单片机完成a i d 转换 任务。 在数据传输部分的设计中，考察了火线( f i r e w i r e ) 、p c i 、r s 2 3 2 之 类的常用微机外部总线的解决方案。最后经过比较，论文采用了其有较高 筵羧遮瘦、支持郎援鼯雳和热捶拔，还毒主掇供毫( 最大5 0 0 m a ) 等往良 性能的通用串行总线( u s b ) 。论文在u s b 部分的主要设计任务是开发 w d m 驱动程序和下位机控制软件以及u s b 接口电路的设计。 本设计最终实现了一个瞬态信号数据采集系统，它具鸯以下特点： 采用u s b 接口进行高速数据传输，倦输速度达1 0 0 k b y t e s ； 采用浮点a d 转换技术，动态范塑达1 2 0 d b ； 多种采样触发控制方式； 最高采样率l o o k s p s ； 1 2 位采样精度； 3 2 k b 数据缓存； 馒耀藜裂大援嫒电子嚣件，系绞绩搀紧凑，熏量轻，遥舍野外馋业。 该系统综合运用了模拟倍号调理技术、浮点a d 转换技术、复杂可编 程逻辑器件( c p l d ) 和u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 技术。因此，系统采样 速率离、动态范围宽、数疆传输速度茯。两黧，由予复杂霹编程逻辑器 串 和a d u c 8 1 2 单片机具有在系统编程( i s p ) 功能，使得本系统具有灵活的 可扩震瞧和可篷配置憾。 【关键词】数据采集；u s b ；c p l d ；w d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a b s tr a c t w j t l lt h ei m p r o v e m e n t so nc o m p u t e rs c i e n c ea n dm i c r o e l e c t r o n i c s 、t h ed a t a a c q u i s i t i o n d e v i c e s a st h em o s ti m p o r t a n tm e t h o db e i n gu s e di ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，w e r ed e v e l o p e dt o w a r d si n t e g r a t i o n ，d i g i t a l i z a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n t h e r ea r em a n yk i n d so fd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e sf o rg e n e r a lu s a g e b u tt h o s e u n i v e r s a ie q u i p m e n tm a yn o tb ef i ta 1 1p a r t i c u l a ru s e r s ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w h i c hi su s e dt os a m p l ei n s t a n t a n e o u ss i g n a lw a v e f o i t ni sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h eo r i g i n a i i n t e n t i o no fm yw o r ki st od e s i g nt h ea d p a r a t u sw h i c hw i l lb eu s e d t oi n s p e c tt h ed e f e c to fp i l ef o u n d a t i o n p i l ei n s p e c t i o nt e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n ti n c o n s t r u c t i o ni n d u s t r y i tw a ss t u d i e df o ra l o n gt i m eb ye n g i n e e r sa l lo v e r t h ew o r l d f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft e s t i n ge q u i p m e n t t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t 1 m o r ep r e c i s i o na n dl a r g e rd y n a m i cr a n g ei sf i m d a m e n t a lf o rp i l ef o u n d a t i o nt e s t i n g a tt h es a m et i m e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi su s u a l l ym a n i p u l a t e da tc o n s t r u c t i o n s i t e t h u si ti sn e c e s s a r yf o rt h es y s t e mt oh a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss m a l l p o r t a b l ea n de a s yt oc o m m u n i c a t e w i t han o t eb o o kp c t h e r e f o r et h ep r i m a r ya i m o fm yw o r ki st od e s i g nt h ea p p r o p r i a t ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n df i n do u tt h e e f f e c t i v ed a t ac o m m u n i c a t i o nm e t h o d t h ef l o a t i n g p o i n ta dc o n v e r s i o ns c h e m ew a se m p l o y e dt oi n c r e a s et b e s y s t e m sd y n a m i cr a n g e c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) w a sa l s o u s e dt op e r f o r mt h es y s t e m sf u n c t i o ns u c ha sd a t as a m p l i n gt r i g g e rc o n t r 0 1a n dd a t a s t o r a g ec o n t r o l ，e t c a d u c 8 1 2 ，a n e wt y p eo fm i c r o p r o c e s s o rw i t l lf u l la d c o n v e r t e r , w a su t i l i z e dt of u l f i l lt h ea dc o n v e r s i o n t om a k ed a t ac o r n m u n i c a t i o ne f f e c t i v e l ya n dn o te x p e n s i v e ，s o m ek i n d so f e x t e r n a lb u so f p cw e r es t u d i e di nt h ef i r s ti n s t a n c e ，i n c l u d i n gf i r e w i r e ( i e e e l 3 9 4 ) ， p c i ，r s 一2 3 2a n ds oo n f i n a l l y ，t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) w a sa d o p t e da st h e s y s t e m sc o m m u n i c a t i o nb u s u s bh a sap r e f e r a b l ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，s u p p o r t p c sp l u g - a n d p l a ya r c h i t e c t u r ea n db u s p o w e r e d ( m a x 5 0 0 m a ) ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ht h ef o l l o w i n gf e a t u r e si sr e a l i z e d ： t r a n s m i s s i o nr a t eu dt ol0 0 k b y t e so v e ru s b ； s y s t e n q sd y n a m i cr a n g e a sh i g ha s1 2 0d b ； m u l t i k i n do f t r i g g e rm o d ec o n t r o l ； s a m p l i n gr a t ea sh i g ha s1 0 0k s p s ； 12 ，b i t 加c o n v e r s i o na c c u r a c y ： 3 2 kb y t e so n b o a r dd a t am e m o r y ： t h es y s t e m ，w h i c hw a sm a d eu po f l a r g e - s c a l ee l e c t r o n i cc h i p s ，i ss m a l l ，l i g h t a n d p o r t a b l e ，a n ds u i t a b l ef o rf i e l du s e ac o m b i n a t i o no fa n a l o g s i g n a lc o n d i t i o n i n gt e c h n i q u e ，a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t i n gt e c h n i q u e ，c p l da n du s bt e c h n i q u e w a su t i l i z e di nt h e d e s i g n t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a sac h a r a c t e r i s t i co f h i 曲p r e c i s i o n ，l a r g ed y n a m i cr a n g e a n d h i g h t r a n s m i s s i o nr a t e f u r n l e rm o r e ，t h e s y s t e m i s e x p a n d a b l e a n d r e c o n f i g u r a b l eb e c a u s eb o t hc p l d a n da d u c 812h a v ei ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ( i s p ) f u n c t i o n k e yw o r d ：d a t aa c q u i s i t i o n ，u s b ，c p l d ，w d m 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 第一章绪论 1 1引言 数据采集技术是门综合性的技术，涉及模拟信号调理、模拟信号数字 化、数字信号处理等领域，是联系模拟世界和数字世界的桥梁。2 0 世纪7 0 年代以来，计算机、微电子等技术和数据采集理论迅速发展，在它们的推动 下，同时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求，方面促进了数 据采集技术的发展，在另一方面也对数据采集系统提出了愈来愈高的要求。 数据采集系统已成为一种重要的现代化工具，而且其应用范围也在日益 扩大，并不断显示出它的重要性，己逐步成为促进各个有关科技领域发展的 重要手段。例如：自动控制系统、地球物理数据采集系统、雷达，随机振动 信号的采集系统等。但是，数据采集是信息处理系统的最前端，对于一般的 数据采集任务有通用的数据采集系统可供选用，考虑到数据源以及用户需求 的多样性，通用的采集设备不可能总能满足定制要求。本论文讨论的是一个 面向桩基础无损检测的瞬态信号数据采集系统的设计和实现。 桩基检测技术是工程界十分关心的问题，也是长期以来国内外学者、研 究人员所从事的一个研究课题，取得了许多的成果。从检测设备的角度看， 美国p d i 公司制造的桩完整性检测仪( p i l ei n t e g r i t yt e s t e r ) 代表了低应变 检测桩基完整性技术的国际先进水平，它主要有以下特点 1 2 】： 体积小，重量轻，适合各种旌工现场条件的桩基质量测试； 使用宽频低噪音的滤波放大技术，整个信号传输系统稳定性较好，加上 信号平均增强和时变放大技术，可获得高信噪比的数据采集结果； 1 6 位a d 转换和浮点放大技术，具有很宽的动态范围，采样精度高。 可见，测量精度高、动态范围大的数据采集系统成为桩基础检测技术的 基础。本文设计了一种瞬态信号的数据采集系统( 见图i 1 ) 。 图1 1瞬态数据采集系统 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 在图1 1 中，数据采集电路研制和设计数据传输方式是论文工作的主要 内容。系统设计中要考虑现场测试的条件，使整个系统结构紧凑，体积小， 重量轻，携带方便，可与笔记本型计算机配套使用。 该数据采集系统的最高采样率为1 0 0 k h z ，采样精度为i 2 b i t ，主机的操 作系统为w i n 2 0 0 0 。数据采集电路中采用浮点放大技术来提高系统的动态范 围，还通过引入可编程逻辑器件来实现触发控制、存储控制以及时序重叠技 术，从而实现了数据采集系统的流水线作业方式。在现有的通用器件的基础 上对瞬态信号实现了中高速、高精度的采样。 1 2 微机常用外部总线比较 在数据传输部分的设计中，调研了基于火线( f i r e w i r e ) 、p c i 、r s 2 3 2 之类的解决方案。采用火线虽然使得数据接收端的设计不是特别复杂【2 引，但 是由于火线是一条多主的总线，每发送一帧数据都要打一个包头，由于链路 层协议的复杂，包头的结构也相当的冗长，对于数据发送端链路层的大量寄 存器配置，调试麻烦而且复杂程度太高。 以往的数据采集系统中，通常将数据采集电路做成扳卡的形式，占用p c 的一个p c i 总线扩展槽。但是，这种内置式形式不便于野外作业。如果能够 将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能 增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。 普通的外置式采样系统一般通过r s 2 3 2 c 与p c 连接。但是r s 2 3 2 c 串 口的11 5 k b p s 的传输速度显然成为采样系统与p c 接1 2 的速度瓶颈。因此， 对于实现外置式中高速、高精度采样系统而言，提高p c 与外置式采样系统 数据通道的传输速度是必要的。 u s b 是近年来应用在p c 领域的新型接口技术，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- 3 * 串行通信的标准，自1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相以来， 已广泛她为各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 s9 8 2 0 0 0 x p 、n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等 主流操作系统都增加了对u s b 的支持【3 ，2 5 3 。 u s b 具有较高的传输速度( u s b 协议1 1 支持的最高传输速度为 1 2 m b p s ) ，支持即插即用和热插拔，还有主机供电( 最大5 0 0 m a ) 的性能【3 3 1 。 图1 2 展示了常见的u s b 外设和通俗的u s b 体系。 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 图1 - 2 展示7 典型的u s b 体系结构 1 3 论文内容简介 如上所述，本论文正是为开发一个具有u s b 接口的外置数据采集卡而展 开的，主要内容包括数据采集系统的硬件设计，u s b 接口电路和u s b 软件 的开发，其中u s b 软件包括固件( 单片机程序) ，w d m 驱动程序设计。论 文主要章节安排如下： 第一章为绪论，论文从瞬态信号的特点出发，介绍了瞬态信号数据采集 的基本概念、发展状况以及微机总线技术，本章还给出了本文的主要内容。 第二章重点介绍u s b 的体系结构，包括u s b 体系、u s b 总线的扩展、 物理接口、数据流模型和u s b 协议等。 第三章是本文的主体部分，这一章给出数据采集系统的体系结构、主要 功能、技术指标和设计中的关键问题。包括浮点a d 转换的实现方法、数据 采集系统中u s b 接口扩展方法和瞬态信号采样中的触发技术。本设计的难点 在于如何实现系统控制逻辑，论文对此进行了有针对性的分析与讨论。控制 逻辑由c p l d 实现，文中给出了仿真结果并在实际电路中已经予以验证。 第四章论述系统控制软件的设计方法。实现过程中，系统的c p 0 要忙于采 集数据的任务，0 s b 接口则完全由中断驱动。这就确保了最佳的传输速率和更 好的软件结构同时简化了编程和调试。 第五章介绍了w i n d o w s2 0 0 0 中进行u s b 驱动设计的原理，并对部分w d m 例程进行了分析。与u s b 驱动程序的交互部分客户程序，论文只对做一简要 介绍。 最后是全文的总结，给出了实验结果并对下一步工作做了简要介绍。 疆鸯交通犬攀硕士研究生论文第4 炎 第二章u s b 体系结构概述 2 。 u s b 系统豹撼述 u s b 掇供了在一台p c 机和若于台u s b 设备之间的通信功能，可简单地 用图2 一l 波示： 匿2 lu s b 主的篱单模掇 由图2 一l 可见，一个u s b 系统豳三部分组成：由u s b 互逶、u s b 设备 和u s b 主机。 毽在突裕u s b 系统中，u s b 不楚楚荤懿壤裂壤透售，其髂懿系统要魄 这复杂，不同层次的实城者对u s b 稃不同要求，遮使得我们必须从不同的艨 次了解u s b 系统。 = = = 逻辑的储息流- 实际的信息流 豳2 - 2遇信模型层次关系圈 魏圈2 - 2 所示，一螽生撬与一个u s b 设备阀酌连接是壶多个层次上麴逡 接组成。 u s b 总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据 毯连臻。u s b 设备星对u s b 系统软传是霉冕熬，系统软 孛基予它囊觅粒设 备层来完成对u s b 设备的一般操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件 向主机提供一些额外功能。u s b 设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应于 这些逻辑通信豹实际物联遽信由u s b 总线接口层寒完残。 疆南交通大攀硕研究燮论文第5 页 2 2u s b 主橇 在任何u s b 系统中，只有一个主机。主机在u s b 体系中占据主导地位， 所有在总线上的事件都幽主机发起。设备和主机系统的接口称作主枧控制嚣， 主橇控翱器霹宙硬 孛、鬻件和软 譬综合实瑰。蔽祭线器是宙主橇系统整合懿， 用以提供缴多的连接点。 从主机的角度来描述上述通信模w t ” ，图2 - 3 描述了从主机角度看到的 它与设备瓣连接。 = = = ： 通道，代袭槽应层之间连接的抽象 圈2 - 3 圭枫层次模型 在u s b 系统中，主税部分霹鞋翔分为： u s b 总线接口 u s b 系统软件( 管理通道) u s b 客户( 管理赛蘑) 其中，u s b 总线撩霹处理电气及协议层的互涟。u s b 设备糯u s b 主梳 都提供类似的u s b 总线接1 2 ，如串行接口引擎( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ，s i e ) 。 出于主祝在u s b 系统中的特殊性，u s b 主机上黝总线接口还必须具备主机 控翻器熬功缝( h o s tc o n t r o l l e r ) ，交主撬控潮器痰集成豹一个集线嚣( 禳集线器) 西南交通大学硕士研究生论文第6 页 提供与u s b 电缆的连接。 u s b 系统软件有三个主要组成部份： 主机控制器驱动程序( h o s tc o n tr o i | a rd r i v e r ) 主机控制器驱动程序( h c d ) 管理主机与u s b 设备的数据传输，客户 可以不必知道设备到底接在哪个主机控制器驱动上就能同设备进行通信。在 h c d 与u s b 驱动程序( u s ud r i v e r ，u s b d ) 之间的接口称为主机控割器驱动 接口( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e ri m e r f a c e ，h c d i ) 。这层接1 2 1 不能被客户直接访问， 所以u s b 规范没有定义。一个典型的h c d 是由支撑各种不周主机控制器的 操作系统来定义的。 u s b 驱动程序 通用串行总线驱动程序( u s b d ) 提供i 0 请求包0 or e q u e s tp a c k e t s l 形式的数据传输，以某一特定通道来传输数据。另外，u s b d 为它的客户提 供一个容易被支配及配置的抽象的设备。作为这种抽象的一部份，u s b d 拥 有缺省通道对设备进行一些标准的控制。这标准通道实现了u s b d 与抽象设 备之间的逻辑通信。u s b d 有一类特殊客户：集线器驱动器，集线器驱动器 拥有这些缺省通道，接收这些设备连接状态的改变。如果设备连结状态改变， 集线器驱动器将加载设备的驱动程序。 主机软件( h o s ts o f t w a r e ) 客户层描述的是直接与u s b 设备迸行交互所需要的软件包。当所有的设 备都已连上系统时，这些客户就可以直接同设备进行通信。个客户不能直 接访问设备的硬件。 总之，主机功能主要体现在以下几个方面： 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： 管理在主机和u s b 设备之间的数据流； 收集状态和动作信息并提供能量给连接的u s b 设备。 2 3 u s b 设备 u s b 设备分为诸如集线器和功能设备等种类。集线器类指的是种提供 u s b 连接点的设备。u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息，u s b 设备 必须在任何时刻执行与所定义的u s b 设备的状态相致的动作。 u s b 设备提供的功能是多种多样的，但面向主机的接口却是一致的。所 西南交邀大学硕士研究生论文第7 页 醴，黠予蹶奄这些设整，圭撬虢焉聪撵蕊方式絮骛理它镪与u s b 毫美懿部分。 2 ，3 1 设备特性 当设备被连接、编号后，该设餐就拥有个唯的u s b 地址。设备就是 通过该u s b 绣蛙装攥嫠兹。每一个u s b 设条遴过一个袋多个逶莲与主撬逶 讯。所裔u s b 设备必须在零号端点上有一指定的通道，就怒该设备衔谓鹩缺 省控制通道。通过此控制通道，所荫的u s b 设释都列入一个共同的准入机制， 以获得控制操 乍的信息。 京零鸯磺舀上，控栽遘遭孛翡信怠痤完整静箍述u s b 竣备，蘧类蕊纛主 要有以下几类： 标准信息：这类信息定义所肖u s b 设备的共同性，包括一些如厂商识 澍、设螽转类、毫滚慧理等筑硬毯。设备莰鬟、接疆及终端熬撬述在魏绘缀。 类掰信患：就荧信息给出不溺u s b 设备炎的定义，主瓣反映箕不同点。 i i s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种肖关信息。 2 。3 2 设备接述 主鬟分为两种设备类：集线器稻功琵部件。集线器可以撬供更多的u s b 的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 1 蔟线器 在帮绉嚣露黪u s b 翁鐾擒体系孛，集线嚣怒耱重要浚套。集线嚣爨 种在上游端口和下游湍口之闻的协议控器4 开关。箍且硬件上支持复位、稳超、 唤醒等倩号。集线器提供了接口寄存器用于与主机之间的通信、集线器允许 主规对篡特定炊态黧撩糕鑫令进霖竣置，势燕援穰控裁其螨1 2 。集线嚣霹检 测每个下游端日设备的安装或拆卸，并可对下游端口的设奄分配能源，镣个 下游端秘都具有独立的能力，不论高速或低速设备均可连接。集线器可将低 速和离速端口的信号分开。 2 ，渤蘸帮传 功能部件是一种邋过总线进 亍发送( 或接收) 数据和控制信息的u s b 设 备，通过电缆连接在集线器的某个端口上。然简一个物理革元中可以有多个 功能部秽翻一个内餮集线器，芳剥塌一根u s b 电缆，逶常被称为复合竣器。 u s b 设备支待u s b 蔽范串基经有臻确定义静逮厢擦僚熊，我们不徽其 体介绍。这些操作包括：动态插按与拔开；地址分配；配鬻：电源管理；邋 程唉醒；请求处理；请求错误等。 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 2 3 3 系统设置 u s b 设备可以随时安装和折卸，因此，系统软件必须支持u s b 物理总 线结构的动态变化。 1 u s b 设备的安装 所有的u s b 设备都是通过端口接在u s b 上，集线器检测后知道这些u s b 设备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，u s b 设备是否被安装， 主机将所有的集线器排成队列以取回其状态。在u s b 设备安装后，主机通过 设备控制通道激活该端口并给u s b 设备一个预设的地址值。 如果安装的设备是功能部件，那么主机中关于该设备的软件( 驱动程序) 将因设备的连接而被激活。 2 u s b 设备的拆卸 当u s b 设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报 告该设备已不存在。u s b 的系统软件将及时进行处理，如果去除的是连接了 u s b 设备的集线器，u s b 的系统软件将该集线器以及连在其上的所有设备进 行处理。 3 总线标号 总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一地址的种动作，因为 u s b 允许u s b 设备在任何时刻从u s b 上安装或拆卸，所以总线标号是u s b 系统软件始终要做的动作，而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理。 2 4u s b 的互连 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、内部层次关系、数据流模式。 2 4 1u s b 总线的拓朴结构 u s b 总线的拓朴结构就是设备与主机之间的物理的、逻辑的连接方式 1 物理拓朴 u s b 物理总线的拓扑结构中，为了防止环状连接，采用星形连接来体现 层次性。图2 5 中的h u b 是一组u s b 的连接点，主机中有一个被嵌入的h u b 叫根集线器( r o o th u b ) 。主杌通过根h u b 提供若干个连接点。用于提供具体 功能的设备叫应用设备。如果应用设备被永久地接到h u b 上，而这个h u b 被接到u s b 上，这样的设备( 及这个h u b ) 被看作一个复合设备，在主机看 来，这个复合设备和个带着若干设备的单独h u b 是一样的。 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 图2 5u s b 物理总线的拓扑结构 2 逻辑拓朴 在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连 到主机上一样。这个逻辑关系如图2 - 6 。 乒b 逾 图2 - 6 辑总线的拓扑结构 但在图2 - 6 中，为了简化未画出h u b ，h u b 也是逻辑设备。虽然u s b 系 统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有个了解。例 如，当一个h u b 被移出，通过它与主机相连的设备也应一起被移去。 3 客户软件层与应用层的关系 u s b 系统的物理上、逻辑上的拓朴结构反映了总线的共享性。操纵u s b 应用设备的客户软件只关心与它相关的接口，客户软件必须通过u s b 软件 ( 该设备的驱动程序) 提供的编程接口来操纵应用设备，而不是直接访问内 存或i o 的。在运行中，客户软件必须独立于u s b 上的其它设备。这样，设 备和客户软件的设计者就可以不必知道该设备与主机硬件和主机软件的相互 作用的关系。 西南瓷通丈掌硕士磷炎笠论文第 o 赞 豳2 7 说明了一个客户软件与相应功能设备的关系。 图2 。7 客户软件和相关应用间的关系 2 4 。2u s b 数据流 u s b 提供主机和u s b 应用设备间的通信服务，对客户与碰用问不同的交 互，u s b 设备对数据流有不圈的要求。u s 8 竞许各搴孛不霞静数据流稷夏猿立魄 进入个u s b 设备。每种通信流都采取了某种总线访问方法来完成主机上的 敬 孛与设备之海豹逶倍。每令遽僖帮翟浚蚕上懿菜令壤志缝窳。不辫设备豹 不同端点用于区分不间的通倍流。 灏2 甚说袈了数攘魏裁我主掇貔瓣蠹存缓滓嚣魏设备壤焦之翅黝传送。 图2 8u s b 通信流 以下，将逐步奔缁端点、逶道和通信流。 1 设备端点 端点是一个u s b 设备礁霹鞋浚爨静部分，它楚主襁与设备阉邋信流煞 结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备 商一令难一静楚薤，这令缝夔是在设舔连上主褫霆亨，密主瓿分配懿，蠢设备 中的每个端点在设备内部有唯一的端点号。遮个端点号是在设备设计时被给 孑 酉南资通大攀硕圭磷灸生论文第 黉 定的。每个端点都是个简帮的连接点，或者支持数据流进设备，戚者支持 萁流密设备，两者不西兼褥。因魏一个端熹豹特悭浚定了它与客户软俘送行 的传送的类型。一个端点有以下属性 3 , 3 3 】： 漾点数螭点号： 端点与主机的数据传邀方向： 装点髓接投或发送夔题豹最大长疫； 端点的传送类型； 端点瓣謦宽要求； 端点的总线访问频率强求； 溃点数总线延迟要求； 对错误处理的要求。 燃点号不为0 的端点在被设置兹处于未知状态，是不能被主枫访闫的。 ( 1 ) 对0 号端点的要求 所有u s b 设备都需要实现一个缺省的控制方法。这静方法将端点0 作为 输入端点，同时也将端点0 俸为输出端点。u s b 系统用这个缺省方法初始俄 及一般地使用逻辑设备( 即设鼹此设铸) 。缺销控制通道支持了对控制的传送， 一量设备接上，并加魄，且又收孤一个总线簸位命令，端点0 就是可访问的。 ( 2 ) 对j # 0 号端点的要求 设备可以每0 璇患戬矫静其它添煮。低速设备在0 号输入及输鑫端点筛， 只能村2 个额外的可选端点。而高速设备可舆有的额外端点数仅受限于协议 懿定义( 最多1 5 个额努静输入壤赢帮簸多1 5 个额箨懿输基鼹赢 。 除缺省端点外，其它端点只有在设备被设置后才可使用。 2 逢逵 u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间。个u s b 遵遒燕设冬土戆一个壤焦农煮梗主软锋之阕鹣联系。髂嚣了主蕊上绥存露壤 点间传送数据的能力。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一 个指是豹u s b 设备霹鸯许多遴莲，毽个通道出显援瞧一个客户爱勰骞。 有两种不同的且甄斥的通道通信格式。 滚( s t r e a m ) ：攒不具鸯u s b 定义款掺式豹数攘渡。 流通道中的数据内容不暴有u s b 要求的结构。数据从流通道一端流进的 顺序与它们从漉通道另一端流出时的顺序是样的，、漉通道中豹通糖漉总是 单方向的。对于在流通道中传送的数据，u s b 认为它来自同个客户。u s b 嚣南交通穴攀矮婿究整论交第 2 粪 系统软件不能够提供使用同流通道的多个露户的同步控制。在流通道中传 送懿数攥遵镁先遗巍趱暴露。 流管遥只能连翻个国宠弩诵煞凑煮上，或者流逡，躐学流毒。鬻疑案 这个号龋瓣冀一个骞鼹戆臻点霹毯救分配蹬其它滚邋遵。 流通道支持同步传送，中断传送和批传送。 满惠( m e s s a g e ) ：密其鸯浆嵇u s b 定义豹楱式黪数撵滚。 消惫通逶要求数攒有具秫格式，挖格式保证了命令能够被可靠地传送和 磁谈。瀵息遴道与避患豹关系避滚遵遵与爨感熬关系是不潮鳓。数据在游患 通道的传输分为三个阶段：首先主桃囱u s b 设冬发出一个请求；接着就是数 据熬佼送；囊蓐是一个握手羚致。 潲息通邋允许赦向的信息流，虽然大多数的通信流是单方向的。特别地， 缺省控制通道也是个消息遴道。 一令设备戆每个游恚透遴在一令糖闻段疼，昃麓努一个游惠请爨黢务， 多个客户软箨可戳通避缺省擦弗邋邋发出它 f 3 静请求，毽遮缝请求弼达设蓊 的次净怒羧先进先出的原则的。设备可以在数据传邀阶段和搓手阶段控制傣 息流，遮取决于这些没备与妻枫交露的能力。诞常情况下，巍上一个澧惑患 被楚理宪之蓠，是不能囊滚惠逶邀发下一个淤慧静。篷在脊错误发囊熬情溅 下，主机会取消这次消息传送，并且不等设蓊将已收的数攒处理完，就开始 下一次酾湾惠传送。 消惑逶遴支持羧铡健送。 2 4 3 传送类型 u s b 通过通道农童飙缓冲区与设罄端点蜘传送数据。栽消息通邀中抟道 教数撵其毒u s b 定义靛辏式，它戆数疆受载孛毯含戆数据龛诲其毒设套撰定 豹格式。u s b 要求镁何在通道上传送的数据均被打氛，数攒的解释工作豳客 户软件和应用朦软律负责。u s b 掇供了多种散攥格式，使之尽可能满足客户 软件和威用软馋的癸浓。 霉个转送类型巍豁下懿死个姥邀特征上会蠢不灏：u s b 燕定蕊鼗攒播 式、信息流的方向、数据负载韵长度限制、总线访问的限制、延时的限制和 出错楚鬻。 u s b 设蕊的设诗蠹霹默淡定设器、上每个媾患熬缝力。一整菇这个壤纛建 立了一个遽道，这个遵道懿绝大多数话送符震撼就嚣霆下采了，一蹇戮这个 通道被取消为此。 酉南交运夫擎硕士磷究生亭仑文繁 3 豢 u s b 定义了4 种传送类型，对于任何给定的设备进行设置时一个通道只 能支簿下述释方式翁数蘩传输1 3 ，3 群： 控制传送：可靠的、非周期性的、由主机软件发起的请求或者回应的 传送，逶鬻翅予会令攀务纛数态事务。 同步传送：在主机与设备之间的周期性的、造续的通信，一般用于传 送与瓣超耀关豹售患。本设诗孛没煮涉及嗣步铸送。 中断传送：小规模数据的、低速的、网定延迟的传送。 批传送：菲周期性豹，大包懿可靠懿传送。典型应厨予传送那些可以 利用任何带脔的数据，而且这些数獬当没有可用带宽时，可以容忍等待。 2 。5 物理接蜀 媳缆和逡接器的机械特性与通常的总线遴接不同。所有设备都荫一个上 行的适接。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 间非法的循环往复的连接。下面主要说明u s b 电缆的电气特性。 v b u s d 疆 g n d v b u s d d - g n d 强2 - 9u s b 豹亳缆 u s b 通过种四线电缆传送信号和电源，图2 - 9 中的d + 、d ，两根线是 臻予傻浚蔫号。v b u s 赣g n 蛰二条线，离设蠡提供意潦。v b u s 霞粼+ 5 v 奄 源。u s b 对电缆长度的要求很宽，为了保证飓够的输入电压和终端阻抗，一 黢不熬过5 米。在每令漠霜都冒捡溅终壤是磷连接，著速分凌毫速耨惩速设 备【1 0 ，1 7 ，1 8 ，l9 l 。 圈2 一j o 高速设备电缆和电阻连接 西南爻通大学颂士磺究生论文第1 4 贾 高f 羲遂1 s b 照岣 釉冀瞄 发送器 舡暗：= hl _ 口l 釜赫1 吼窝d = 1 5 t 啦= t 5 l 援i 串箍 主机， 【l j b n 守 r p = ：t5 k 妊= 5 f i ) 低谴设备 幽2 11低速设备电缆和电阻连接 u s b 高速信号静眈特率定兔1 2 m b p s ： u s b 低速信号的比特率定为i 5 m b p s ； 图2 1 0 秘黼2 1 1 分羁弼滋了离遥帮低速u s b 浚餐在集线器熬终端位嚣 及其所连的功能设备。从图中我们可以看出谯电缆的下行端的电阻r 。在两 圈孛豹连接位黉是不溺黥： 高速设备中的r 。电阻是接在d + 线上的。 低速竣餐孛熬袋。毫疆楚接在d 线土憨。 选取r 。时必须使加载电压在3 o 3 6 v 时阻抗为i 5 k q 5 的电阻。 实际寂羯中，囊予接嗣芯片豹s o f t c o n n e c t 技零，没露连接这个逛疆。 2 6 u s b 总线协议 u s b 总线属一种轮讯方式的总线c 3 3 l ，主机控制端口初始化所有的数据传 竣。每一总线执行动 乍最多传送三个数据包。 按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个 描述传输动作的葶申类、方向、u s b 设备地址秽终端号的u s b 数据包，这个 数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。数据彼被发送羽总线的时候，首先发 送最低位( l s b ) ，跟着是下个有效的位，最后是最高有效位( m s b ) 1 3 3 。 u s b 设备欤解粥后的数据包的适当位嚣取出属于鑫己盼数据。 接收端骥相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。 2 6 1 分组域格式 这里将描述令牌，数据鄹握手包的包标识狩( p i d ) 字段格式。为了清 楚起见，在此不考虑n r z i 编码和位填充( b i ts t u f f i n g ) 的影响。所有的包 都分别有包开始( s o p ) 和包结束 e o p ) 分隔特。 如图2 一1 2 ，包标识符由4 位包类黧字段和4 位校验字段( 低4 位) 构成。 西南交通大学硕士研究生论文第1 5 页 图2 1 2p i d 格式 表2 1 列出了包标识符类型，编码及其描述 3 , 3 3 。 表2 1p i d 类型 p i d 类型p i d 名称p i d 编码描述 令牌o u t0 0 0 1 b在主机到功能部件的事务中有地址+ 端口号 t o k e ni n1 0 0 l b 在功能部件到主机的事务中有地址+ 端口号 s o f0 1 0 1 b 帧开始令牌和帧号 s e t u p1 l o l b 在主机到功能部件建立一个控制管道的事 务中有地址+ 端口号 数据0 ( d a t a 0 )0 0 1 1 b偶数据包p i d d a t al ( d a t a l )1 0 1 1 b 奇数据包p i d 握手 a c k0 0 1 0 b 接收器收到无措数据包； h a n dn a k1 0 1 0 b 接收设备部不能接收数据，或发送设备不能 s h a k e 发送数据； s t a l ll “0 b 端口挂起，或个控制管道请求不被支持。 专用p r ei 1 0 0 b主机发送的前同步字。打开到低速设备的f s p e c i a l行总线通信。 包标识符的4 位的校验字段可以保证包标识符译码的可靠性。包标识符 的校验字段通过对包类型字段的二进制码对1 求补，就是它的p i d 校验码。 如果4 个p i d 检验位不是它们的对应包标识符位的反码，则说明存在p i d 错。 任何收到包标识符，如果含有失败的校验字段，则该包标识符被认定为已损 坏，而且包的余项将被忽略。如果一个功能部件收到了包含着它所不支持的 事务类型或方向的合法包标识符，则不必应答。例如，只能输入的端口必须 忽略输出令牌( t o k e n ) ，而只能输出的端口必须忽略输入令牌。 包标识符被分为4 个编码组：令牌，数据，握手和专用。包标识符传送 的前2 位( p i d ) 指出了其属于哪个组。 2 6 2 分组格式 1 令牌 令牌由p i d ，a d d r 和e n d p 构成【3 3 1 ，其中p i d 指定包是输入、输出或 者建立类型。对于输出和建立事务，地址和端口字段唯一地确定了接下来将 收到数据包的端口。对于输入事务，这些字段唯一地确定了哪个端口应该传 西南瓷通大掌硕士磷究生论文第 6 炎 送数据包。只有主机能发出令牌。输入p i d 定义了从功能部件到圭机的数据 事务。输基零f | 建立p i d 定义了献主繇强功髭帮箨懿数据事务。令牌雹菇了覆 盖地址和端口字段的5 位c r c 。图2 n 1 3 显示了令牌的字段格式。 8b i s7 撵弧毒b b5