（电力电子与电力传动专业论文）基于usb接口的逻辑分析仪设计.pdf

西华大学硕士学位论文 l o g i ca n a l y z e rd e s i g nb a s eo nu s b t h es p e c i a l t yo f p o w e re l e c t r o n i c sa i a dp o w e rd r i v e s m a s t e r c h iy u t u t o r y a n gj i n gc h a n g l o g i ca n a l y z e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n td a t ad o m a i nt e s ti n s t r u m e n t s w i t h t h ea c c e l e r a t i n ga d v a n c e m e n to fc a l c u l a t i o na n de l e c t r i c i t y ，l o g i c a la n a l y z e ri s g e t t i n gw i d e l yu s e d a si t sf u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e sr a i s e d , t h e r ea r em o r ed e m a n d s f o ro p e r a t i o n a lc o n v e n i e n c ea n de a s yp o r t a b i l i t y t h e nu s bt e c h n o l o g yi san e w t e c h n o l o g yi nt h el a s ty e a r s i th a sm u c hv i r t u es u c ha sf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d 、 p l u ga n dp l a y 、t a k i n gc o n v e n i e n c e 、g o o dc u n e n c yc a p a b i l i t y , a n ds oo n s ou s b t e c h n o l o g yh a sw i d c l yu s i n gd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d ，u s bt e c h n o l o g yw i l lb eu s e d i nt h ed e s i g no fl o g i ca n a l y z e ri nt h ef u t u r e p o r t a b l el o g i ca n a l y z e rb a s e do nu s b i sl i g h ta n dh a n d y , w h i c hi se a s yt oc a r l ya n do p e r a t e w i t hu t i l i z a t i o no fc o m p u t e r , t h el o g i ca n a l y z e rb a s e do nu s be n h a n c e sd a t at r a n s m i s s i o n , p r o c e s s ，d i s p l a ya n d s t o r a g e ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fd a ma n a l y z i n g , a n d i na n o t h e ra s p a e t , i t c a l la l s og r e a t l yl o w e rt h ec o s to f t h ei n s t r u m e n la n db u i l dt h ef i a tr o o f f o rv i r t u a l i n s t r u m e n tt e s ts y s t e m t h i sp a p e re x p a t i a t e st h ep r i n c i p l eo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fa l o g i ca n a l y z e rb a s e do l iu s b a n db r i n g sf o r w a r das c h e m e t h ep r i n t i p l ea n dd e s i g n o f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns e c t i o na n dt h eu s bi n t e r f a c es e c t i o na 聆e m p h a s i z e di nt h i s p a p e ra c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t i e so ft h eh a r d w a r ed e s i g n t h es o r w a r e ，w h i c hi s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h eh a r d w a r e ，i sa l s om e n t i o n e di nt h ep a p e r t h ef i r s tc h a p t c rd e s c r i b e st h ea c t u a l i t yo fu s bt e c h n o l o g ya n dl o g i c a n a l y z e r sd e v e l o p m e n tt e n d si nt h ef i e l do fe l e c t r i c i t y t h ew o r ka n dt h es p e c i f i e d s p e c so ft h i si n s t r u m e n ta r ca l s oi n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r2s p e c i f i e su s b p r o t o c o la n d t h ed e s i g ns c h e m eo f u s bi n t e r f a c eb o a r d t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no ft h ec i r c u i t si nd a t aa c q u i s i t i o ns e c t i o n a r e e x p a t i a t e d i n c h a p t e r3 ，w h i c h i n t r o d u c e st h ed e s i g n so ft h et r i g g e rw o r d d i s t i n g u i s h e dc i r c u i ta n dt h es t o r i n gc o n t r o lc i r c u i ti nd e t a i l a n db r i n g sf o r w a r da s c h e m eo ft w om c uc o m m u n i c a t i o n ad e s i g no fi n c r e a s i n gs t o r i n gc a p a b i l i t yi s l i 耍兰查兰堡圭兰些兰苎 a l s oi n t r o d u c e di n t h i sc h a p t e r c h a p t e r4d e s c r i b e st h ed e s i g no fu s e ra p p l i c a t i o n i n t e r f a c e ，t h em e t h o da n dd e b u g g i n gb a s e o nl a b v i e w t h eq u e s t i o na n ds o l u t i o ni nd e s i g np r o c e s sa r ed i s s e r t a t e di nc h a p t e r5 c h a p t e r6s u m m a r i z et h ew h o l ed e s i g na n dd e b u g g i n g t e s t i n gs h o w s t h a tt h el o g i ca n a l y z e rh a sb a s i cm a n a g ea b i l i t y , a sw e l la sr a p i d d a t at r a n s f e rs p e e do fu s bi n t e r f a c e ，c a nt a k em o r ee x p l o i t a t i o na n dr e s e a r c h ，a n d h a sw i d e l y a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：u s b ，l o g i ca n a l y z e r ，l a b v i e w ，t r i g g e r i 西华大学硕士学位毕业论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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工作所作的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：这孑 2 p 0 7 车占月oe l 导师签名：o ) 年占月，d 日 1 ：1 引言 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术的飞速发展，计算机上的传统接口( 并口、甲口) 已经尢 法满足p c 与外部设备之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求，并且 给p c 系统的设计者带来了越来越多的麻烦，给用户的使用也带来了诸多不便， 限制了计算机的发展。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线是一种主流的 标准计算机接口，通过u s b 接口，实现了即插即用与热插拔的特性。它可使 用户迅速方便地连接p c 主机的各种接口设备。u s b 接口可以更好地满足用户 的需要。 在现代化的电子领域里，逻辑分析仪是非常流行、实用且必需的电子测试 仪器。逻辑分析仪凭着它强大的功能，为数字系统的开发、维护提供了强有力 的工具，成为了电子工作者的必备工具。 基于u s b 接口的虚拟测试仪器是便携式测试仪器发展的一个方向，因此 研究基于u s b 接口的逻辑分析仪具有一定的先进性和创造性，有很大的经济 效益和现实意义。 1 2 u s b 简介 u s b ( u t l i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由i n t e l 、n e c 、m i c r o s o f t 、毋m 等 公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于p c 机与外围设备的互联。 作为一种标准接口，在把外设和p c 连接时允许不必重新配置规划系统，也不 必打开机壳和另外调整接口卡的指拨开关。在连接到p c 时，p c 会自动识别 这些接口设备并且配置适当的驱动程序，无需用户再另外重新设置，实现了即 插即用与热插拔的特性。对于所有u s b 接口设备，提供一种“全球通用”的标 准连接器( a 型与b 型) 。同时u s b 接口还允许将多达1 2 7 个接口设备同 时连接到p c 一个外部的u s b 接口上，这样就不必像传统现有的串行端口或 并行端口那样，一个端口仅能接一个设备。这不仅降低了p c 的成本，也大大 简化p c 主机后侧各种连接电缆复杂混乱的现状，并且拥有比传统r s - 2 3 2 串 西华大学硕士学位毕业论文 行和并行接口更快的数据传输速度。u s b l 1 规范的接口设备采用两种速度： 1 2 m b p s ( 全速) 和1 s m b p s ( 低速) ，1 9 9 9 年推出的u s b 2 0 规范的最高速 度可达到4 8 0 m b p s ( 高速) 且向下兼容u s b l 1 ，这种低成本、使用简单、支 持即插即用、易于扩展等特点，使得u s b 已被广泛地用在p c 及嵌入式系统 上，司前几乎所有的p c 都带有u s b 接口。 但u s b 也有一定的局限性： 1 带宽的限制：高速传输的速度提高到了4 8 0m b p s ，但这只是理论的最大 值，实际应用的带宽约为2 0 0m b p s 3 0 0m o p s 。 2 对旧硬件的支持不好：w i n d o w s9 5 或w m d o w s9 8 都需要安装驱动程序 才能够识别到外设。 3 点对点的通信：几乎所有的通信都是由主机发起的，u s b 设备之间不能 做直接的数据交换。 4 距离的限制：u s b 协议规定单条u s b 线缆长度不超过5 米，用集线器 方式连接的，最多接入5 个集线器，距离延伸为3 0 米。 5 开发有难度：协议比较复杂，不容易全面掌握，驱动也不容易编写。测 试工作有困难。控制芯片本身也有不足之处。 2 】 随着u s b 接口应用的普及，基于u s b1 x 和u s b2 0 规范的u s b 接口渐 渐暴露出其缺点。由于u s b 总线是主从结构，很不利于设备之间的点对点的 数据传输。以计算机为核心的数据传输结构弥补利于u s b 总线在嵌入式行业 的应用。因此，u s bo t g 应运而生。u s bo t g 规范是为了适应点对点通信对 接口的需求而对u s b2 0 规范的补充。u s bo t g 是未来的发展方向。 u s bo t g 同时具有u s b 主机功能和u s b 设备功能。两个u s bo t g 可 以通过m i n i - a 和m i m - b 插头连接在一起，同时也可利用u s bo t g 的主机协 商协议来切换两个设备间的u s b 主机功能和u s b 设备功能。网 1 3 逻辑分析仪发展现状及趋势 数字电路和系统所处理的信息是用离散的二进制信息来表示的。这种二进 制信息常用高电平表示l ，而用低电平表示叮，多个二进制位( b i t ) 的组合 就构成一个数据。在数字电路系统中对其“数据”信息的测试技术就称为数据域 西华大学硕士学位毕业论文 测试技术，简称数据域测试。对数据域测试的基本要求是： ( 1 ) 跟踪与分析状态数据流，这是对数字系统进行功能分析所必须的基本 测量。跟踪状态数据流需要利用地址总线，最好同时也能观测数据总线，以便 分析总线的全面工作情况。由于有的总线是复用的，故要求测试时有选择数据 的能力。 ( 2 ) 为了监视总线上的数据流，需要设置一个观察参考点，它是一个布尔 表达式所对应的唯一数据字。在数据域分析中，把这个特定的数据字称为触发 字，由触发字来决定需要捕获的对分析有意义的那部分数据。 ( 3 ) 对于分析异步总线，需要了解各信号状态序列和每个信号在给定状态 的持续时间，以便判断系统是否按正确的时序运行。这要求能分析信号状态之 间的时间关系。 ( 4 ) 来自系统内部和外界的干扰及毛刺常引起硬件出错，这样就需要捕捉 干扰或毛刺，并把它们显示出来。 逻辑分析仪是一种分析数字化设备硬件和软件的仪器，它几乎是和微处理 器同时问世的。逻辑分析仪的功能是获取并以多种方式显示一批数据。这批数 据的位置以触发点为参考点，它们可处于触发点前部、中部、后部、包含触发 点或与触发点相距一定距离。逻辑分析仪在各种数字系统中可用于硬件逻辑、 时序和软件运行情况的研究：分析、测试和故障诊断，是新产品开发和系统维 护必不可少的工具。它已成为日前国际上最通用的电子测量仪器之一。 随着数字化和计算机技术在军用和民用领域内应用的日益深入和普及，作 为数字设备重要检测仪器的逻辑分析仪市场状况和前景都很看好。国内逻辑分 析仪的应用不断增强，但是制造业发展不是很快，这主要是因为一方面这种仪 器应用较为复杂，价格也较高，国内使用还不够普及。另一方面，该仪器的大 部分市场也已被少数国外公司占领，所以国内厂商市场份额不大。 国外逻辑分析仪产品虽多，但最主要的厂家是美国的a g i l e n t 公司和 t e k t r o n i c s 公司，他们占领的市场份额很大。此外f l u k e 、n i c o l e t 、g o u l d 、 a d v a n t e s t 等公司也均有一些市场份额。我国南京电讯仪器厂、上海无线电二十 一厂、红华仪器厂和电子科技大学均制造了台式逻辑分析。但国内真正形成市 场份额的，是与微计算机配合才能工作的逻辑分析仪插卡或外接模块，它们充 西华大学硕士学位毕业论文 分利用微计算机资源，补充逻辑分析仪需要的部分，共同完成仪器功能。这种 产品价格较低，便于普及，即使是仪器领域颇具影响的a g i l e n t 公司，在生产 多种高档逻辑分析仪的同时，最近也推出了这种类型的产品。我国生产与微机 配合的这类经济型仪器，有利于逻辑分析仪在国内的普及。这种产品的生产单 位主要有清华大学计算机厂、航天部5 0 2 所、上海无线电二十六厂、电子科 技大学等单位。外便携式逻辑分析仪型号及性能价格对比。 逻辑分析仪的发展有不少值得注意的方面。首先是它与网络的结合。不少 优秀的逻辑分析仪都具备网络功能，这便于远地操作、控制，而且所测数据能 在网上共享，也便于专家在远地指导操作人员利用这种仪器对数字设备进行高 难度维护、检修。其次，逻辑分析仪与其它仪器相结合的趋势也值得注意。例 如a g i l c n t 公司的1 6 5 0 0 、1 6 6 0 0 和1 6 7 0 0 系列和t e k t r o n i x 公司的9 2 0 0 系 列都是模块化的综合逻辑分析系统。它们通常包括高性能的逻辑分析仪、数字 信号发生器和数字示波器等多种仪器。 方便使用是逻辑分析仪推广的重要问题，厂商均比较重视。例如对较复杂 的触发设置，一些产品给出触发事件库，用户只需选择一下或在图形化的界面 上连接一下就完成了设置。对整个逻辑分析仪的操作有的产品也采用w m d o w s 界面或类似示波器的操作方式，使用户感到熟悉、方便。在与被测件相连接、 显示方式等方面也尽量简便。降低售价是逻辑分析仪普及的重要条件之一，这 也是著名仪器公司推出经济型产品的原因。 与整个仪器的发展趋势相适应，逻辑分析仪也向标准化、便携化的方向发 展，因此研究开发基于u s b 接口的便携式逻辑分析仪是极其符合这一发展趋 势的。【1 】 1 4 本课题的主要研究内容 1 研究了u s b 接口芯片的工作原理 2 设计u s b 接口模块 3 研究了逻辑分析仪的基本原理和结构 4 研究了f p g a 工作原理，完成了s t c 8 9 c 5 2 与f p g a 芯片e p i k 3 0 的连接 的硬件及软件设计 4 西华大学硕士学位毕业论文 5 设计上位机操作界面，与仪器整体调试，实现该仪器的功能 5 西华大学硕士学位毕业论文 2 1 u s b 协议介绍 2 1 1u s b 系统构成 第二章u s b 原理及设计 u s b 总线由以下4 个主要部分构成。 主机和设备；是指u s b 系统中的主要构件； 物理构成：是指u s b 元件的连接方法： 逻辑构成：不同的u s b 元件所担当的角色和责任，以及从主机和设备的角 度出发u s b 总线所呈现的结构； 客户软件与设备功能接口的关系。 u s b 总线有4 种数据传输方式，分别是控制传输、中断传输、同步传输以 及批量传输。 1 控制传输：主要用于主机把命令传给设备及设备把状态返回给主机。任 何一个u s b 设备都必须支持一个与控制类型相对应的端点0 。 2 中断传输：用来支持那些偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的 设备。中断传输常常用在键盘、鼠标和游戏杆上。 3 同步传输：以一个恒定的速率进行传输。同步传输方式的发送和接收方 都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。 4 批量传输：用来传输大量数据而没有周期和传输速率的设备上。批量传 输方式并不能保证传输的速率，但可以保证传输的可靠性，当出现错误时会要 求发送方重发。【2 】 2 1 2u s b 设备的枚举过程 要主机识别一个u s b 设备必须经过枚举过程，主机使用总线枚举来识别和 管理必要的设备状态变化。总线枚举的过程如下： 1 。设备连接。u s b 设备接入u s b 总线。 2 设备上电。u s b 设备可以使用u s b 总线供电，也可以使用外部电源供 电。 6 西华大学硕士学位毕业论文 3 主机检测到设备，发出复位。设备连接到总线后，主机通过检测设备在 总线的上拉电阻检测到有新的设备连接，并获释该设备是全速设备还是低速设 备，然后向该端口发送一个复位信号。 4 设备默认状态。设备要从总线上接收到一个复位的信号后，才可以对总 线的处理操作出响应。设备接收到复位信号后，就使用默认地址( 0 0 h ) 来对 其进行寻址。 5 地址分配。当主机接收到有设备对默认地址( 0 0 h ) 响应的时候，就对 设备分配一个空闲的地址，以后设备就只对该地址进行响应。 6 读取u s b 设备描述符。主机读取u s b 设备描述符来进行配嚣，确认 u s b 设备的属性。 7 设备配置。主机依照读取的u s b 设备描述符来进行配置，如果设备所 需的u s b 资源得以满足，就发送配置命令给u s b 设备，表示配置完毕。 8 挂起。为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3 r n s 以后，设备驱动 程序就会进入挂起状态。在挂起状态时，设备的消耗电流不超过5 0 0 u a 。当被 挂起时，u s b 设备保留可包括其地址和配置信息在内的所有内部状态。f 2 l 2 1 3 u s b h u b 集线器( h u b ) 是u s b 即插即用技术中关键的一环。它提供了u s b 的连接端 口( p o r t ) 。顾名思义，h u b 就是能将多个连接线集中在一起的设备。一个h u b 能将一个u s b 的连接点转化为多个连接点，使得多个设备能同时连接到惟一的 u s b 总线上进行通信。当然，u s b 的体系也允许多个h u b 之间进行互连。如图 2 - 1 所示是最为典型的u s bh u b 。 f i g t m 。2 - 1u s bh u b 图2 1u s b h u b 7 西华大学硕士学位毕业论文 根据端口在u s b 总线拓扑体系中的位置和功能的不同，可以将其分为上行 端口和下行端口。上行端口用于连接上一级的h u b 或是 鼬- l u b ，而下行端口则用 于连接下级h u b 或是u s b 设备。利用u s b 电缆上的电平变化，u s bh u b 可以检测 下行端e l _ e u s b 设备的接入或者移出，同时可以确定设备的速度类型，如低速 或者全速设备。1 1 1 2 1 4 u s b 设备 u s b 设备就是能够通过u s b 来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。 u s b 设备从低层的物理和电气特性到上层的软件协议和数据结构都有严格的定 义，分为很多种u s b 类。每个u s b 设备都具有表明自身能力和所需资源的描述 符。在设备第一次连接到主机上之后，首先要接受主机的枚举，提供描述符。 在得到主机的允许后，设备就可以分得u s b 的带宽，进行数据传输。 2 1 5u s b 的系统结构 下面图2 - 2 是u s b 的拓扑结构图 f i g u m2 - 2t o pf r a m e 图2 - 2 拓扑结构 3 t i r 4 由上图可知，u s b 的拓扑体系由3 种元素组成：主机、h u b 和设备。在p c 平 台上的u s b 中，p c 就是主机和栅u b ，用户可以将设备和下级h u b 与之连接。 s 两华大学硕士学位毕业论文 而这些附加的h u b 又可以连接更下一级的h u b 和设备，从而构成了星形结构。在 u s b 协议1 1 中，一个u s b 的拓扑网络最多可以支持4 个h u b 层和1 2 7 个设备。【1 】 一个完整的u s b 系统软硬件组成如下图所示。 p c 主机系统 u s b 设备 f i g u r e2 - 3w h o l eu s bs y s t e m 图2 3 完整的u s b 系统 u s b 功能层 j s t 设备层 u s l 3 接口层 图中实线箭头表示实际数据流，虚线箭头表示逻辑数据流。u s b 系统的软 硬件资源可以分为3 个层次，即功能层、设备层和接口层。接口层涉及的是具体 的物理层，其主要实现物理信号和数据包的交互，也就是在主机端的u s b 主控 制器和设备端的u s b 总线接口之间传输实际的数据流。设备层主要提供u s b 基 本的协议栈，执行通用的u s b 的各种操作和请求命令，从逻辑上讲，就是u s b 系统软件与u s b 逻辑设备之间的数据交换。最后，功能层提供每个u s b 设备所 需的特定的功能，主机端的这个功能由用户软件和设备类驱动程序提供，而设 备端就由功能单元来实现，它们之间的这种联系看作是逻辑上的数据流。 u s b 协议规范是以分层方式加以描述的。一个u s b 系统可以分成三个层次： 总线接口层、设备层和功能层。总线接口层为u s b 主机和设备提供了物理上的 通信连接。设备层是u s b 系统软件中用于对一个u s b 设备执行通常的u s b 操作 的部分。功能层则是通过一个适当匹配的客户软件向主机提供一些附加的功能。 在设备层和功能层，u s b 主机和设备进行的是逻辑通信，这种逻辑通信是通过 总线接口层来完成实际上的数据传输的。 ( 一) u s b 主机( h o s t ) 9 西华大学硕士学位毕业论文 u s b 主机是指安装了u s b 主控制器的计算机系统，是软件和硬件的集合。主机 主要完成以下功能： 1 检测u s b 设备的插入和移出，并对设备进行配置。 2 管理主机和u s b 设备之间的控制流和数据流。， 3 为接入的u s b 设备提供数额受限的功率。 u s b 主机是二个用于协调工作的实体，由三部分构成：u s b 总线接口、u s b 系 统软件和客户软件。 ( 1 ) u s b 总线接口 ， u s b 总线接1 2 1 包括主控制器和串行接口引擎( s n ，指的是允许u s b 设备接入主 机的硬件和软件。 ( 2 ) u s b 系统软件 u s b 系统软件包括两个部分： 主控制器驱动程序r ( h c d ) ：它是位于u s b 主控制器和u s b 系统软件之间的软 件接口，对送往或来自处理操作的i r p 0 o 请求分组) 进行转换并对这些i r p j j n 以组织以便于主控制器的操作。 u s b 驱动程序s b d ) ：它是位于u s b 系统软件和客户软件之间的软件接1 2 1 ，该 接口为客户使用u s b 设备提供了方便。u s b d 负责对接入的设备进行配置操作。 ( 3 ) 客户软件 客户软件是在主机上执行的对应于一个u 设备的软件。它通过调用回调来向 u s b d 接1 2 1 请求1 r p ，使用产生某个来自或送往一个功能端点的数据。【4 】 2 2u s b 接口板的设计 2 2 1u s b 芯片介绍 现在常见的u s b 接口芯片主要有两种：一种是带有单片机内核的u s b 接口 芯片，这种芯片本身内部就有m c u 内核，可以单独应用，不需要# 卜搠v t c u , 有 e z - u s bf x 2 ，c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 等。另一种是内部不带m c u t 勾核的u s b 接口芯片，需要p i - 接m c u 才能应用，例如：h - p h m n , s 公司的p d i u s b d l 2 等。 本设计才用了p d i u s b d l 2 与s t c 8 9 c 5 2 单片机连接的方案。该方案的优点 】o 西华大学硕士学位毕业论文 是i p d i u s b d l 2 可以外接单片机，比较适合对单片机熟悉的同学做开发。而且可 以更换其他型号的u s b 接口芯片，灵活多用，适合对某种u s b 接口芯片熟悉的 同学做开发，通用性很强。 1p d 砌s b d l 2 器件特性 下面是p d i u s b d l 2 带并行总线的u s b 接口器件特性： 1 】符合通用串行总线u s b1 1 版规范 【2 】高性能u s b 接口器件集成了s i ef i f o 存储器收发器以及电压调整器 3 】符合大多数器件的分类规格 4 】可与任何外部微控制器微处理实现高速并行接口2 m 字节秒 5 】完全自治的直接内存存取d 岫操作 6 】集成3 2 0 字节多结构f i f o 存储器 7 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 【8 】在批量模式和同步模式下均可实现1 m 字节秒的数据传输速率 【9 具有良好e m i 特性的总线供电能力 1 0 在挂起时可控$ 1 j l a z y c l o c k 输出 【1 1 】可通过软件控制与u s b 的连接 f 1 2 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器 在通讯时使l e d 闪烁 1 3 1 可编程的时钟频率输出 1 4 】符合a c p l0 n n o w 和u s b 电源管理的要求 1 5 】内部上电复位和低电压复位电路 1 6 1 有s 0 2 8 和t s s o p 2 8 封装 1 7 1 工业级操作温度4 0 + 8 5 1 8 】高于8 k v 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 1 9 具有高错误恢复率( 搠蛳的全扫描设计确保了高品质 2 0 1 双电源操作3 3 ：l - 0 3 v 或扩展的5 v 电源，范围为3 6 - - 5 5 v 2 l 】多中断模式实现批量和同步传输。嘲 2 管脚配置 西华大学硕士学位毕业论文 d a 【舢a 0 d a 叫v c c 33 d a t a 2d + d a l d - g n dv c c 5 n 删z r a l 0 d a t a 5z r 舡，i d 1 h 6l g l d r a 7 瓜e s 日 a l e ，e 研 f c sd h t a c k s i j s p d m i l e q c l k o u t ，v 限 nntrd f i g u r e2 - 4p d i u s b d l 2c o n f i g u r e 图2 4p d i u s b d l 2 的引脚配置 引脚描述： 1 d a t a 0 - d a 。t a 7 ：是双向数据位。 2 a l e ：地址锁存使能。在地址数据复用总线中，下降沿锁存地址数据， 将其固定为低电平，可用于非地址数据复用总线配置。 3 c s ：片选，低电平有效。 4 s u s p ：器件处于挂起状态。 5 c u ( o o t ：可编程时钟输出。 6 i n t 中断，低电平有效。 7 r d ：读选通，低电平有效。 8 w r ：写选通，低电平有效。 9 d m r e q ：珈v i a 请求。 1 0 d m a c k ：d m a 应答，低电平有效。 1 1 e o t ：d m a 传输结束( 低电平有效) 。e o t 仅当d m a c k 和r d 或懈，i 一起激活时才有效。 1 2 g l ：指示器，低电平有效。 1 3 x t a l l 和x t a l 2 ：晶振连接端，如果采用外部时钟信号取代晶振，可 连接) 呲i ，x t a i2 应当悬空。 1 4 m 和d 十：u s b 数据线。 1 2 西华大学硕士学位毕业论文 1 5 v c c 3 3 ：3 3 v 调整输出。要使器件工作在3 3 v ，对v c c 5 和v c c 3 3 都 提供3 3 v 。 1 6 a 0 ：地址位。a 0 = l ，表示选择命令指令；a 0 = 0 ，表示数据。该位 在多路地地数据总线配置时可忽略，应将其接高电平。【4 】 3 描述 叶a - 鲁圈 f i g u r e2 - 5p d i u s b d l 2 f u n c t i o nf r a m e 图2 - 5p d l u s b d l 2 的功能框图 1 模拟收发器 集成的收发器接口可通过终端电阻直接与u s b 电缆相连。 2 电压调整器 片内集成了一个3 3 v 的调整器用于模拟收发器的供电。该电压还作为输出 连接到外部1 5 k q 的上拉电阻。可选择p d i u s b d l 2 提供的带1 5 k o e q 部上拉电 阻的软件连接技术。 3 p u 。锁相环 片内集成了6 m 至i j 4 8 m 时钟乘法p l l ，这样就可使用低成本的6 m 晶振，e m i 也随之降低。p l l 的工作不需要外部元件。 4 位时钟恢复 位时钟恢复电路使用4 x 过采样规则，从进入的u s b 数据流中恢复时钟，它 能跟踪u s b 规定范围内的抖动和频漂。 1 3 团圆 西华大学硕士学位毕业论文 5 p h i l i p s 行接口引擎p s i e p h i l i p ss i e 实现了全部的u s b 协议层，完全由硬件实现而不需要固件的参 与。该模块的功能包括同步模式的识别、并行串行转换、位填充，解除填充、 c r c 校马佥，产生、p i d 校验疗虹生、地址识别和握手评估。 6 s o i t c o n n e c t t m 与u s b 的连接是通过1 5 垃上拉电阻将d 睁用于高速u s b 器件置为高实现 的。1 5 k q 上拉电阻集成在舢s b d l 2 片内，默认状态下不与v c c 相连，连 接的建立通过外部系统微控制器发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决 定与u s b 建立连接之前完成初始化时序。u s b 总线连接可以重新初始化而不 需要拔出电缆。 7 g o o d l i 玎删 g o o d l i n k t m 技术可提供良好的u s b 连接指示。在枚举中，l e d 指示根 据通信的状况间歇闪烁。当p d i u s b d l 2 成功地枚举和配置后，l e d 指示将一 直点亮。随后与p d i u s b d l 2 之间成功的传输带应答将关闭l e d 。处于挂起状 态时，l e d 将会关闭。该特性为u s b 器件、集线器和u s b 通信状态提供了用 户友好的指示。作为一个诊断工具，它对隔离故障的设备是很有用的。该特性 降低了现场支持和热线的成本。 8 存储器管理单元( m m u ) 和集成r a m 在以1 2 m b s 的速率传输并与微控制器并口相连时，m m u 和集成r a m 作 为u s b 之间速度差异的缓冲区。这就允许微控制器以它自己的速率对u s b 信 息包进行读写。 9 并行接口和d m a 接口 一个普通的并行接口定义成易于使用、快速而且可以与主流的微控制器直 接连接的接口。对一个微控制器而言，p d l u s b d l 2 看起来就像一个带8 位数 据总线和一个地址位( 占用2 个位置) 的存储器件。p d l u s b d l 2 支持多元和非 多元的地址和数据总线；还支持主端点与本地共享r a m 之间直接读取的d m a 传输：支持单周期和突发模式的d 1 v l 惟输。 4 1 西华大学硕士学位毕业论文 = f i g u r e 2 - 6 c o n n e c t w i t h p r o c e s s o r p a r a l l e l i n t e r f a c e 图2 - 6 与处理器并行接口连接示意图 在该例中，a l e 接为低电平表示一个独立的地址和数据总线配置。 p d i u s b d l 2 的a 0 脚与8 0 c 5 1 的任意一个i o 口相连。该端口控制p d i u s b d l 2 的命令和数据状态。8 0 c 5 1 的多位地址和数据总线可直接与p d i u s b d l 2 的数 据总线相连。8 0 c 5 1 的频率输入可由p d i u s b d l 2 的c i k o i r r 提供。h 1 0 d m a 传输 直接存储器寻址d m a 允许在主端点和本地共享存储器间实现数据块的有 效传输。使用d l v 测空制器，p d i u s b d l 2 的主端点和本地共享存储器间的数据 传输可自主进行而不需要本地c p u 的干预。要处理任何d m a p 专输，本地c p u 从主机接收必要的建立信息，并对d m a 控制器进行相应的编程。典型的，对 d m a 控制器的传输模式、字节计数寄存器和地址计数器进行正确的编程。在该 模式下，p d i u s b d l 2 发出请求时开始传输，当字节计数器减少为零时终止。 在d m a 控制器编程之后，本j 也c p u 在初始化传输时，将p d i u s b d l 2 中的 d m a 使能位置位。 p d i u s b d l 2 可编程为单周期d m a 或突发模式d m a 。在单周期d m a 中，d m r e q 在每单个应答后直n c d s m a c kn 重新激活之前保持无效。在 突发模式d m a 中，d m r e q 在器件中突发编程时一直保持有效。该过程持续 到p d i u s b d l 2 通过e o tn 接收到一个d m a 终止信息，这时产生一个中断指 示本j g | 量c p u ，d m a 操作已经完成。 西华大学硕士学位毕业论文 在d m a 读操作时，d m r e q 仅当缓冲区完全表示主机成功的发送了一个 信息包到p d i u s b d l 2 时才有效。由于具有双缓冲配置，主机可以在第一个缓 冲区被读出时对第二个缓冲区进行填充。这种并行的处理有效的增加了数据吞 吐量。当主机没有完全填满缓冲区的情况下( 单向i s o 配置时小于“或1 2 8 字 节) ，d m r e q 会在缓冲区的最后一个字节时无效，而不管当前的d m a 突发计 数。在更新了d m a 突发计数的下一个包发送时，d m r e q 再次被激活。 d m a 的写操作与之相似，当缓冲区未装满时，d m r e q 一直有效。当缓冲 区填满时，在下一个i n 标志将信息包送入主机，当传输完成之后，d m r e q 变 为无效。同样的，双缓冲配置在这也改善了数据的吞吐量。在非同步传输中( 批 量模式和中断) 。在数据被发送到主机之前，缓冲区需要通过d m a 写操作完全 装满。唯一的例外是，在d 1 雠输结束时，e o tn 接收的信号将会停i e d m a 写操作，并且在下一个标志嚣位时将缓冲区的内容传送到主机。 在同步模式中，本地c p u 和d m a 控制器必须保证它们在一个u s b 帧 ( 1 m s ) 中能够吞吐的最大信息包的规模。d m a c kn 的激活将自动选择主 端点( 端点2 ) ，而不管当前选择的端点。p d i u s b d l 2 的d m a 操作可通过普 通的i o 对其它端点的存取实现交叉存取。d m a 操作可通过以下方式终止：复 位d m a 使f l g 寄存器位或e o tn h j z d m a c kn 以及r dn 懈，l n 的激活。 p d i u s b d l 2 支持单地址模式中的d m a 传v 输，也可以在d m a 控制器的双 地址模式中工作。在单地址模式中，d m a 通琵- t d r e q 、d m a c kn 、e o t _ n 、 w rn 和r dn 控制线实现传输。在双地址模式中，d m r e q 、d m a c k _ n 和 e o tn 未用，取而代之的是c sn 、w rn 帛u r dn 控制信号。需要遵循 p d i u s b d l 2 的i o 模式传输协议。在读周期中对d m a c 信号源进行访问，在 写周期对目标进行访问。传输需要两个单独的总线周期来储存暂存在d m a c 中 的数据。 2 2 2 硬件设计 u s b 接口板的硬件原理图见附图一。 图中单片机的p 0 1 2 1 与p d i u s b d l 2 的数据线相连接，单片机的w r 、r d 、 a l e 分别与p d i u s b d l 2 的w r 、r d 和a l e 连接。片选c s 连接p 1 4 ，中断 1 6 西华大学硕士学位毕业论文 i n t 连接i n t 0 ，挂起s u s p e n d ；i - 奎接i n t l ，e o t 、d m a c k 和d m a r e q - - - - 个引 脚是控制u s b 芯片d m a 传输数据的，本设计并未用到，故均上拉高电平。 r x d 与t x d 是连接下载程序的接口，该方法适合s t c 系列的单片机，利用 串口可以在线下载，调试。 2 0 脚的接口是本设计的创新之处。将p o 口、部分p 2 口、a l e 、w r 、r d 、 i n t l 等组成一个接口。目的是做个单片机的通用接口，该接口可以利用总线 方式与不同的外设连接，这样连接的外设就可以利用这个u s b 的接口了，该接