（电力电子与电力传动专业论文）基于pebb的三相电压源逆变器设计.pdf

浙江大学硕士学位沦文 a b s t r a c t a s t h ed e v e l o p e n to fp o w e re 1 e c t r o n i cb u i l d i n gb 1 0 c k ( p e b b ) ，p e b b w i l l b et h eb a s i cc o p o s i t i v ec e l lo fp o w e rc o n v e r t o r ，s ot h er e s e a r c ho nt h e t e c h n i q u eo ft h ec o n s t u c ti o no fp o w e rc o n v e r t o rb a s e do np e b bw i1 lb e g r e a t l ys i g n i f i c a t i v e o nt h eb a s i so ft h ed i v i s i o no ft h ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls t r u c t u r eo fp o w e re l e c t r ( ) n i cs y s t e mb a s e do nt h ep e b b ，t h ep o w e r c o n v e r t e rc o n t a i n st w op a r t s ：a p p l i c a t i o nm a n a g e ra n dp e b b i nt h i sp a p e r ， 十h ea p p l i c a t i o n a n a g e ra n dt h eh a l fb r i d g ep e b ba r ed e s i g n e dp r i m a r i l y t h e nao p e n 一1 0 0 pt h r e e p h a s ev s ii sc o n s t u c t e db yt h ec o b i n a t i o no ft h e t w 0p a r t s i nt h i sp a p e r ，t h r e eh a l fb r i d g ep e b b sa r ed e s i g n e d1 l s i n gt h e i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t s t h eu s bi n t e r f a c ei sc h o s e da st h es t a n d a r d d i g i t a li n t e r f a c eo f t h ep e b b t h ea p p l i c a t i o n m a n a g e rc h o o s e s t h eu s b h o s t c o n t r o l l e rc h i pt od e s i g nt h ec o 删n u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，s oi th a st h e s i m i l a rf u n c t i o n sw i t ht h eu s bh o s t ，t h u si t i se a s yt om a n a g et h ep e b b s “p l a y p l u g ”i nt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ， t h ee m b e d e dr e a l 一t i m e o p e r a t i n gs y s t e muc o s i ii si n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h r o u g ht h e c o m b i n a ti o no ft h ea p p t h r e ep h a s ev s ii sb u i s y n c h r o n i z a t i o n ，e t c ， i w a v e f o r m sa r eg i v e n a c a t i o nm a n a g e ra n dt h eh a l f b r i ( i g ep e b b s ，a d e d a f t e rr e s 0 1 v i n gt h ep r o b l e o f sf u n t i o ni sa c h i e v e da n de x p e r i m e n t a l i nt h el a s ts e c t i o n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e d e si g na n d p r o p o s edt h ef u r t h e rw d r k k e y 们r d 8 ：p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ：d i s t r i b u t e dc o n t r o l t h r e ep h a s ev s i ：a p p l i c a t i o n a n a g e r ：u s b ：c o s i i 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力电子发展现状 电力电子技术诞生于上个世纪中期，距今仅有半个世纪的发展历史。但由 于其在国民经济中的重要作用，而得到r 国内外的普遍重视，取得了飞速的发展。 电力电子技术包括电力电子器件、功率变换控制技术两个方呵，其中电力电 子器件与控制技术的发展是制约电力电子技术进步的睡个重要因素。随着电力电 予技术向高频化、大容量、智能化方向的发展，对电力电子器件性能的要求越来 越高，同时对电力电子装置和系统的性能要求也日益增长，因此电对摔制技术的 发展不断提出更高的要求2 | 。 1 1 1 电力电子器件的发展 在电力电子装置中，电力电子器件的作用就相当十心脏，虽然它的价值在整 个装置的价值中占的比重并不大，但是它的性能却对整个装置的性能有着虿荚重 要的影响，因此每一代新的电力电子器件的出现都能带动整个电力电子技术的 次革命性的发展。 1 9 5 7 年第个晶闸管( s c r ) 问世，标志着电力电了- 技术的诞生，以此为基 础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从 水银整流器和旋转变流机组进入由电力电子器件构成的变流器时代。进入7 0 年 代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能 自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究 和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发 展，先后研制出g t r 、g t o 、功率m o s f e t 等自关断全控型第二代电力电子器件， 使电力电子技术的义发生r 一次飞跃。在8 0 年代后期，以绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 为代表的复合型器件异军突起，形成了第三代电力电子器件，开始向大容 量、高频化、低损耗方向发展。进入9 0 年代以后，电力电子器件开始朝复合化、 标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，从而使得电力电予装置的结构更 加紧凑、体积更小，设计开发周期更短、组装工艺更简单，同时也利于生产的规 浙江大学项士学位论文 模化，进而降低成本，因此这一发展方向其意义将越来越大1 2 1 。 1 1 2 电力电子控制技术的发展 对于电力电子控制技术的发展可以从三个角度来分析 从信号的类型上看 电力电子控制技术的发展是从模拟控制到数字控制。随着各种性能优越的数 字芯片的出现，电力电子控制技术由原先的模拟控制运渐发展为数字控制。相对 于模拟控制，数字控制具有电路简单、抗干扰能力强、控制灵活等特点。此外， 数字控制可以有效的避免模拟控制中因模拟器件的老化、温漂以及环境干扰而影 响系统长期稳定性的难题。对于比较复杂的控制，可以通过软件进行数字控制方 便的实现，若用模拟电路就会比较困难甚至是不可能。随着高速单片机和数字信 号处理器( d s p ) 的发展，使得对器件实现较高开关频率的数字控制成为可能。 此外，采用数字控制，比较易于实现人机交互，进行装置之间或e 下位机之间的 通信哪】。 从电路的控制方式卜来看 电力电子控制技术由原先对半控型器件的相位控制方式发展为对全控型器 件普遍采用的脉冲宽度调制( p w m ) 方式。p 删控制方式使电路的控制性能大为改 善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影 响。调制技术的研究在过去儿十年内一直是学术界研究的重点。每种变换器都对 应着某些合适的渊制策略。其中载波p w m 和空间矢量p w m 是现在应用最广泛的调制 方式。p w m 挖制的发展大概经历了三个阶段：由分立元件组成的控制器；各种集 成的p w m 控制器；数字p w m 控制器。二个阶段的发展是随着电子集成技术的不断发 展而前进的。现在绝大部分功率变换器都使用集成控制器来实现其控制，单纯的 使用半导体分立元件组成的控制电路基本上退出 r 历史舞台。p w m 集成芯片的使 用，减少了外围电路i 器件，简化了电路结构，同时提高r 控制性能。但p w m 控 制芯片的功能主要针对某类功率变换器，通用性还不够强。随着高速单片机和数 字处理芯片的发展，数字p w m 控制器的使用逐渐增多，其良好的可配置性及强大 的运算能力，使得p w m 的控制变得相当灵活和简单。数字p w m 控制器一般不专门针 对某种变换器结构或者某类控制策略，而是可以通过改变软件麻用于很多场合， 浙江大学硕士学位论文 因此具有一般的集成p w m 控制芯片所不具有的通用性口。 从控制电路与功率电路部分之间的对应关系来看 电力电子控制技术包括集中控制技术和分布控制技术两类。现在功率变换器 普遍采用集中控制技术，即整个系统仅用一个中央控制器来进行系统的全面管理 和控制。图1 1 为一个典型的集中式控制的三相电压源逆变器的控制体系图。对 于简单的电力电子变换器，集中式控制结构具有结构简单、成本低、可靠性高、 控制环路设计方便等优点。但对于较复杂的电力电子变换器则存在着一些缺陷： 夺可靠陛较差，随着系统复杂性的增加而急剧下降1 5 因为采用集中式的控制，其p w m 的产生、d 采样、控制算法的实现、闭 环控制等均由一个控制器全面负责，若其中一处m 现故障，就可能导致整个系统 的瘫痪。 夺设计难度比较大陋1 随着复杂性的提高，1 生控制器与功率部分之间需要交换的数据量越来越多， 连线也相应越来越多，越来越长。过多过长的连线一方面使得连线变得不紧凑， 另一方面连线上所产牛的于扰问题也相应增加。这些都使得设计的用难程度增 加，从而使得设计周期力长，成本增高。 夺系统的灵活性及可重新配置性较差1 7 引】 图1 1 集中控制的三相电压源逆变器控制体系2 浙江大学硕士学位论文 集中式的控制仅有控制和功率两个部分，系统模块化程度比较差，因此系统 的灵活性及可重新配置性较差。分布式控制技术是电力电子控制技术正处在研究 阶段的控制技术，它的提出是为丁解决传统集中控制的不足。它的特点是整个系 统采用分散分层控制结构，系统中个每个子系统都具有1 定的自治管理能力，子 系统通过与上层系统通信来接受上层系统的摔制以及子系统之间的协调动作 l “12 1 。关于它的具体介绍放在第：j 节当中。 随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术不断走向成熟，电力电子技术 也在各行各业得到了广泛的应用，其面向的应用更加多样化。然两，现在电力电 子技术的发展已走到了十字路口。广泛而多样化的应用，使得对电力电子技术的 要求更加迫切，对电力电子产品的标准化、模块化、智能化以及生产的自动化的 要求也不断提高。然而传统的电力电子产品的开发普遍存存以下不足：设计缺乏 通用性，系统缺乏模块化和标准化；随着对电力电子产品要求的不断提高和电 力电子产品复杂程度的提高，设计周期越来越长，殴计成本越来越高；应用缺 乏灵活性。比如，现在即便个小功率的开关电源设计都需要具有相关专业知识 和技术经验的专门人员来设计，而且各种零件的组装都要花费大量的时间和人 工，成本比较高。存在的这些不足已经严重阻碍了电力电子技术的发展和应用领 域的扩展，成为电能利用技术的瓶颈。目前，国际电力电子学界普遍认为，电力 电子集成技术是解决电力电子技术发展面临的障碍，进一步拓展电力电子技术应 用领域的最有希望的出路1 6 4 j 。 1 2 电力电子系统集成概速 1 2 1 电力电子集成的概念 电力电子集成技术就是将目前电力电子装置中的功率器件、驱动电路、控制 电路和保护电路等封装到一个集成模块内部，成为功能相对完整的，具有一定通 用性的元件。利用集成模块可以方便灵活的构成各种不同性能要求和应用目的的 电力电予装置和系统。 电力电子集成的概念的提出已经有十余年的历史了，早期的集成是单片集 成，其概念是将主电路、控制电路、驱动和保护等功能全部集成在一块砖片上， 8 浙江大学硕士学位论文 体现，片内系统的概念，这种集成思想比较适合于小功率的场合。在中大功率场 合，因高压大电流使得高压隔离、传热等问题比较突出，只能采用混合集成的方 法，即由不同的裸芯片组成的电路封装到一个模块中，比较成功的产品就是智能 功率模块( p m ) 。1 9 9 7 年美国政府、军方及电力电子领域的一些著名学者提出 了电力电子结构块( p o w e r e l e c t m n i c b u i 】d i n g b l o c k ，p e b b ) 的概念，从而集成 化这一电力电子的未来发展方向，并将电力电子集成化技术的研究推向高潮【6 j 。 1 2 2 电力电子系统集成发展现状 鬻信一 一1 j 誓冒 、| 固蕾翻盔叫固童蕾瞄 9 浙江大学硕士学位论文 对于p e b b 的研究，目前主要集中在三个方面： 夺拓扑的确定 对于拓扑的选择是p e b b 研究中一项很重要的内容。通用性、低成本、高性 能的拓扑的选择直接决定了p e b b 的标准化及通用性程度。 夺拓扑稳定性的研究 对拓扑不仅要研究单个模块的稳定性，同时也要研究模块并联、模块在分布 式系统中的稳定性问题。 夺模块封装的研究 封装的研究主要对封装的体积、统一的硬件接口、功率密度、散热等方面的 研究。 控制方法的研究 对集成化模块研究的同时，也对电力电子系统集成的控制方法进行了研究。 集成技术的发展使得构建电力电子系统的方法更加灵活多样，相应的对控制方法 和控制软件提出了更高的要求。p 耶b 的研制及其使用，将使传统的功率变换器 的组成结构发生变换，使得功率变换器内部便具有分布式结构，因此，对它的控 制：陌不再采用传统的集中控制方案，而改用分布式控制技术。同时，随着电力电 子系统规模的不断扩大，为对其进行有效、方便的管理，分布式电力电子系统将 越来越多的被组建，为了对分布式系统中的各个功率变换器进行分别控制以及协 调控制，必须采用分布式控制技术。因此，对于分布式控制技术的研究t 要集中 在对具有分布式结构的功率变换器分布式控制技术的研究以及对分布式电力电 子系统分布式控制技术的研究5 。1 1 孔。此外，随着系统集成化程度越高，结构更 加复杂、功能更加强大的电力电子装置和系统：鲟彳i 断得以实现，为r 使系统的设 计与控制更加灵活方便，对控制软件的要求 旦不断提高。不仅要求控制软件具有 灵活性、实时性、易升级及可配置性强等特点，还要求控制软件具有跨平台使用 的特点，因此电力电子实时操作系统将被引入，对它的研究也是挖制方法研究的 一个方向【1 3 _ 1 5 8 2 引。 1 2 3 基于p 髓b 的分布式电力电子系统 从1 1 2 中对集中式控制特点的分析，可以看出随着电力电子系统复杂程度 1 0 浙江大学硕士学位论文 的提高，集中式控制的缺陷将更加明显与扩大化，为此，在电力电子系统中引入 了分布式控制技术。在电力电子系统中采用分布式控制技术对各个功率变换器进 行分布式控制，能够解决集中控制带来的不足，同时使电力电子系统成为一个分 布式系统。一个分布式的电力电子系统具有系统稳定、更新换代快、易于标准化 和模块化、开发设计周期短、成本低等优点，凶此是电力电子系统集成的一个重 要研究方向。一个基于p e b b 的电力电子分布式系统如图1 3 所示。由图可以看 出，由应用管理器控制p e b b 组成d c ，d c 、d c a c 等各种功率变换器，然后各 种功率变换器挂接在直流母线上，形成分布式结构，然后应用管理器通过系统总 线与系统级控制器即p c 连接起来，接受p c 的控制管理。由此组建了一个完整 的分布式的电力电子系统5 1 u 2 1 2 捌。 图1 3 基于p e b b 的分布式电力电子系统l z ” 基于图1 3 ，可以把基于p e b b 的分布式电力电子系统划分为三个层次：系 统层、应用管理器层、p e b b 层。其分层结构如图l ，4 所示。在三层结构中，p e b b 层处于最低层，用来接受从应用管理器来的命令并使其在具体的硬件中实现。它 成为一个功率级上面的集成部分，执行底层硬件的具体任务，比如p w m 脉冲的 产生、死区补偿、保护及其1 1 j 极信号的优化等。p e b b 是实现功率变换器功能的 基本单元。应用管理器层处在中间层，它主要用于p e b b 的识别，用d s p 实现数 字算法，分布控制p e b b 以实现各种功率变换器功能，进行系统级的保护及接受 系统级的控制来协调控制各个功率变换器之间的运行。系统级则主要用于人工交 浙江大学硕士学位论文 互、监控、智能决策等，它是通过控制应用管理器来实现这些功能的1 1 1 把1 6 】。 用f 图1 4 分布式电力电子系统的分层控制结构2 2 1 由以上基于p e b b 的电力电予分布式系统的分析，可以看出分布式系统的一 些显著特点2 2 1 ： 夺系统控制功能的分散性 分散控制是分布式控制系统最显著的特点。控制系统将部分功能分散到子系 统当中，从而使得上一级的摔制层能够有更多的资源去执行更高级的任务。 夺了系统自我管理功能 分布式系统叶1 的子系统本身是一种智能部件，除能够结构接受j 二一层系统的 控制外，也具有管理自治功能，如子系统功能自我实现、故障自我保护功能等。 夺信息交换的层次性 分层的结构必然导致信息交换的层次性。 夺子系统的封装性 采用标准化的组建和标准化的通信接口规范，各层之间通过明确的接口进行 交互t 因此不必关心子系统的内部细节。各个组件一般实现不同的功能范畴，要 求功能相对独立，组件之问耦合为松耦合。这样可以实现所谓的“即插即用”功 能，并使得控制软件的调试、维护和升级都得到简化。 分布式系统的这些优点，使得电力电子系统的结构逐渐向分布式结构方向发 浙江大学硕士学位论文 展。电力电子分布式系统的组建，将使得分布式控制技术不断的被应用进来。研 究分布式控制技术将是电力电子系统集成中的一个重要内容。 1 2 4 基于分布式原理进行电力电子系统集成的意义 随着p e b b 技术的发展，p e b b 技术将逐渐成熟并应用到实际功率变化器设计 中。p e b b 的标准化的特点，将引起生产的大规模化，从而降低了其生产的成本， 未来功率变换器的基本组成单元也将逐渐变为p e b b 。利用p e b b 来构造功率变换 器，能极大的简化设计过程、缩短设计周期，同时组建方法的灵活性可以使得结 构和功能都更复杂的电力电子装置得以实现。以p e b b 作为基本单元的功率变换 器，其控制方式必然将采用分布式控制技术。分布式控制能够克服传统集中控制 存在的缺陷，具有系统稳定性高、设计简单、易于升级、配置灵活等特点，随着 对其研究的深入，将逐渐成为电力电子的主要控制技术之一，而应用到具体装置 和系统中。同时，分布式电力电子系统所具有的优点，使得采用分布式控制结构 的电力电子系统的管理与控制变的更加高效，其组建也将变得灵活简单。基于以 卜i ，基于分布式原理进行电力电子系统集成具有非常重要的意义- 姒2 ”。 1 3 长课题的意义和主要工作 木课题主要依据本文所提出的基于p e b b 的分布式电力电了系统的结构，基于 其应用管理器层和p e b b 层的设计，设计了一台基于p e b b 的三相电压源逆变器。通 过该设计，一方面提供了一种设计三相逆变器的新方法，可以为未来基于p e 船 来设计三相电压源逆变器及其他功率变换器提供一个参考实例，通过对其具体分 布式控制的实现，为以后分布式控制技术的应用打下一定的基础。另一方面，也 在一定程度上验汪了基于p e b b 的分布式电力电子系统的可行性。 本文第二章初步设计，一个含有基本功能的半桥p e b b 。它由分立元件组成， 采用了数字控制器咧s 3 2 0 l f 2 4 0 f 7 与功率半桥器件相结合的集成方法，使得其结 构简单，配置灵活。此外，对其通信接口进行了设计，选用了具有“即插即用” 功能的u s b 接口作为其标准的通信接口，并给山了具体的软硬件设计。本文第三 章，初步设计r 一个应用管理器，根据其通用性及与具体功率电路拓扑无关的特 点，采用了d s p 芯片与u s b 主机控制芯片相结合的电路结构，给出了具体的软硬件 浙江大学硕士学位论文 u s b 使用的是主从方式进行通讯，通讯中的复杂性都由主机来控制，从机的电路 则相对简单而且便宜。i e e e 1 3 9 4 使用的是点对点的模式，外围设备可以彼此沟 通。单一的传输可以同时传给多个接收设备。所以i e 髓一1 3 9 4 比u s b 有弹性，不 过相对地外围设备的电路则较复杂且昂贵。因此，在满足系统需要的情况下，我 们采用u s b 接口作为p e b b 的通讯接口陟2 哪。 2 2u s b 总线 通用串行总线( u s b ) 是一种新兴的计算机外围串行通信接口标准，它克服 了传统计算机串并口的缺陷，具有热插拔，即插即用，数据传输可靠，扩展方 便，低成本等优点，已成为当前计算机必备的接口之，同时也被光泛的应用于 嵌入式系统设计巾。 2 2 1u s b 总线的拓扑结构 图2 1u s b 物理拓扑 u s b 系统通过具有相同接 j 的串行连线将不同的设备连接到起。u s b 的 物理拓扑为分层的星型结构。如图2 1 所示。它由三部分组成：u s b 主机( h o s t ) 、 u s b 集线器( h u b ) 和u s b 设备( d e “c e ) 。在个u s b 系统中，只有唯一的 一个丰控制器( h o s t ) 。u s bh o s t 是一个集成了包括硬件、同件、软件的u s b 主控制器。本节主要描述p e b b u s b 接口的设计，也即个u s b 设备的设计， 关于u s bh o s t 的介绍将在第三章中介绍应用管理器设计的时候加以说明。u 浙江大学硕士学位论文 主机是星型结构的中心，它通过u s b 集线器级联更多的u s b 设备组成u s b 系 统。 在u s b 系统中，有两种类型的u s b 设备：u s b 集线器和u s b 设备。在u s b 协议中，将u s b 集线器归入u s b 设备的一种，因为它具有u s b 设备的普遍特 性，但由于它的功能的特殊性，在这里将其看作单独的一类。集线器为u s b 系 统提供更多的u s b 设备连接接l ，可以把它当作连接更多设备的电气插口。u s b 设备根据属性的不同完成不同的功能，如键盘、显示器等。它们以从属的方式与 u s b 主机进行通信，并受u s b 主机的控制。根据数据传输速度的不同，u s b 设 备被分为全速设备( 1 2 m b i “s ) 和低速设备( 1 5 m b i “s ) 两种。根据供电方式， 义分为总线供电和自供电两种类型。 2 2 2u s b 总线的机械和电气特性 u s b 协议提供了a 和b 两种插头和插座，独立的传输线一般一端为a 型插 头，另一端为b 型插头。插头a 用于连接上游插序a ( 集线器的下游端口中) ， 插头b 用于连接下游插头b ( 连接设备的上游端u ) 。 u s b 电缆内部由四根线组成，如图2 2 所示。它包括两根数据线( d + 和d 一) 和两根电源线( v b u s 和g n d ) 。数据线采用n r z i ( 反向不归零) 编码方式传 输数据。电源线共同为接入总线的u s b 设备供电。由于电。i 原因，每根线长一 般不超过5 米。对于低速( 1 5 m b i 以) 设备采用非戳绞的标准导线，对于全速 ( 1 2 m b i 洮) 设备采用有屏蔽并双绞的传输导线。 d + v b u s g n d 图2 2u s b 传输线 1 9 浙江大学硕士学位论文 速度不同的u s b 设备在其上游端口处的不同位置装有一个上拉电阻。对于 全速设备来说，一个阻值为1 5 k q ( 1 5 ) 的上拉电阻连接在d + 线上，而 低速设备的卜_ 拉电阻连接在d - 上，阻值也为1 5 k q ( 1 5 ) 。如图2 - 3 和2 4 分别显示了全速设备和低速设备的卜游端口的上拉电阻连接情况。 “瓣。童 豫j意阱攀 (1 1iu s b 瞠。1 、， 。：壤l 茎矍i u s b 主机或乎褥 垒速u s 磅糖j h u b 端 = 专 ，、 设备 | j 图2 3 全速设备上游端口上拉电阻连接 j 靠j ；静 弋 捕j 琶 良d q 低速 忘习。盔爨 ( f 1 、 斟攘? 摹、 l 、， 。f 豢 气话i 赫制? 享、 h u b 端亡 古 “ 图2 4 低速设备上游端l | 上拉电阻连接 u s b 总线可以对设备提供。定的供电，从根集线器或一个自供电的集线器端 口上，可以提供4 7 5 v 一5 2 5 v 到o v 的电压。一个总线驱动型设备可以从根集线器 或一个自供电的集线器那里最大得到5 0 0 m a 的供电电流。总线驱动型设备的定义 是设备直接从u s b 总线上得到电流。邡种依靠设备自身供电的设备也叫作自供电 设备。在u s b 设备第一次连接上u s b 总线时，它所请求的电流量还没有得到h o s t 的保证时，这个设备从u s b 总线上得到的最大电流不能高于1 0 0 m a 。对于连接到自 供电集线器上的设备，所允许的最大电流为1 0 0 m a 。 2 2 3u s b 信号特性 u s b 的数据信号线是差分驱动的，它们在数据传输的过程中分别有差分态( 1 或0 ) 、静j r 态( 1 或o ) 和单终端o ( s e 0 ) 等状态。协议根据这些状态判断设备 的速率、信号所代表的数据意义等目的。当d - 信号的电压比d 信号的电压高于 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 m v 时，表示差分“l ”，低于2 0 0 m v 时，表示差分“o ”，它们表示信号的变化 过程。静止“o ”和“l ”表示信号线处于空闲状态的编码情况，它定义成“0 ” 和“1 ”，一般用于设备的插上、拔下、挂起等状态。 除了叶和d 一数据线的空闲状态和包结尾( e o p ) 外，u s b 中的数据采用反向不 归零( n r z i ) 编码方法，相应的解码过程就是n r z i 的反过程。数据的发送方时n r z i 的编码方，接收方是数据的解码方。对于一长串的连续l 采用位填充的方法，即 在连续传输6 个l 时，在n r z i 数据流中插入一个o 。这种编码方式既能够确保数据 的完整性，又不需独立的时钟信号和数据一起发送。差分驱动器把差分信号在d + ， d 一数据线之间传送，它们之间的相位差为1 8 0 度，而电脑上的噪音是同相位的， 故差分接收器不会放大噪音，起到消除噪音干扰的作用。 2 。2 4u s b 的包格式 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后 住总线上传输的。 u s b 的包由5 个部分组成，即同步字段( s y n c ) 、包标志符( p i d ) 、数据字 段、循环冗余校验( c r c ) 字段和包结尾( e o p ) 字段。如表2 1 显示了一个包的 基本格式。 表2 1 ：u s b 包的基本格式 同步字段p i d 字段 数据亨段c r c 字段 包结尾字段 ( s y n c )( p i d )( e o p ) 所有的包以一个同步域( s y n c ) 开始。输入电路用它来对接收的数据与本地时 钟进行同步，长度为8 b i t 在u s b 协议中，根据p i d 的不同，u s b 包有着不同的类型。p i d 字段长度为一个 字节( 8 个数据位) ，由四个位的包类型字段和4 个位的校验字段构成。其格式如 表2 2 所示。 表2 2 ：p i d 的格式 ( l s b )( m s b ) u s b l 1 支持的包的类型包括：令牌包、数据包、握手包和特殊包。包的类型、 及编码列于表2 3 浙江大学硕士学位论文 表2 3 ：u s b 包标志符类型 p i d 类型名称编码 3 ：o 输出( o u t )0 0 0 1 b 令牌包输入( i n ) 1 0 0 l b ( t o k e n ) 帧起始( s o f ) 0 1 0 1 b 设置( s e t u p ) u o l b 数据数据0 ( d a t a o ) o o l l b ( d a t a ) 数据l ( d a t a l ) 1 0 l l b 握手 确认( a c k )0 0 1 0 b ( h a n d s h a k e ) 不确认( n a k ) l o l 0 b 停止( s t a l l )1 1 l o b 专用 前同步 l l o o b ( s d e c i a l )( p r e ) 在u s b 包。p ，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列n - 以及数据等内 容。 设备地址( a d d r ) u s b 规范定义了7 位u s b 设备地址，因而最多可以拥有1 2 8 个不同的设备地址。 存u s b 总线枚举过程中，当u s b 设备第一次接入总线，h o s t 给设备分配一个唯一的 地址。 夺端点号( e n d p ) u s b 规范中定义，4 位u s b 设备端点，因而每个设备的每个功能部件最多支持 不超过1 6 个端点号。其中端点o 必须被用作控制传输端点。 夺帧序列号 当u s b 令牌包为s o f 时，其数据字段必须为1 1 为的帧序列号。帧序列号是由u s b 主机产牛。 夺数据 当u s b 包为数据包时，该字段包含传输的有效数据。u s b l _ 1 支持的数据氏度 为o 1 0 2 3 个字节。 c r c 字段用来对包中的数据信息进行错误校验的。 2 。2 5u s b 的数据传输类型 u s b 协议提供了四种传输类型：控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 、批量传输 浙江大学硕士学位论文 ( b u l kt r a n s f e r ) 、中断传输r i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 和实时传输( i s o c h r o n 0 1 l s t r a n s f e r ) 夺控制传输 控制传输是u s b 协议中唯传输u s b 命令的传输类型，用于完成u s b 主机对u s b 设备的配置、状态查询和管理工作。控制端点必须是端点o ，用于控制传输。一 个控制传输包括2 到3 个阶段，设置( s e t u p ) 阶段，可选的数据阶段( d a t a ) ， 状态阶段。在殴置阶段，u s b 主机向u s b 设备发送一个控制命令。在数据阶段，u s b 设备按照u s b t 机控制命令的要求进行数据的传输。在状态阶段，主机和设备之 间传输一个零字节的数据包，然后发握手信号，表示一个控制传输的完成。当设备 第一次被连上u s b 总线时，它用来交换信息( 即u s b 的枚举) 。u s b 通过c r c 校验并且 如果错误不能恢复则重传，保汪控制传输模式的准确一阵。 夺批量传输 当需要传输人批量数据而且对准确性要求很高时，采用批龟传输类型。它可 以是单向的，也可以是双向的。批量传输可以动态的获得总线带宽，但不能保证 传输的带竞和延迟。如果数据传输m 错，传输失败，可以进行重传。当一帧内的 总线时间有空余时，u s b 主机就会将剩余的时间分配给等待使用总线的批_ 晟传输 的设备。批量传输有输入传输和输出传输两种， 夺中断传输 中断传输是为只发送或接收少黾数据的设备设计的。它是单向的，只能从设 备向主机方向传送。它往往是每隔一定的周期发生一次数据传输。主机采用定时 查询的方法，不断的询问设备是否有数据需要传输。对于，全速设备它的查询周 期一般为l m s 一2 5 5 m s ，也即对十全速设备其中断传输频率为l k h z ，而低速设备则要 求查询周期在1 0 m s 一2 5 5 m s 之间。在中断传输中如果数据传输失败，那么在f 一 个查询周期将重新传输出错的数据。 夺实时传输 实时传输是为支持某些对时间要求较高、数据量很大、准确性要求不高的数 据通信而设计的。它的传输方向可以是单向的，也可以是双向的。它要求在恒定 速率下传输，而且容忍一定的误码率。例如对音频的传输。它的特征为：保证带 宽和延时；不重新发送错误的数据。 浙江大学硕士学位论文 2 2 6u s b 命令的结构 u s b 的命令具有统一的格式，其格式见表2 4 。 表2 4 ：u s b 命令格式 0 f f s e t01 246 f i e l d b m r e q u e s t t 帅eb r e q u e s t w v h l u ew i f l d e x w l e n g t h s i z e ( b y t e ) 1l222 其中b m r e q u e s t t y p e 各位含义如下： d 7 ：数据的传输方向 0 一主机至设备 l = 设备至主机 d 6 5 ：命令的类型 o = 标准命令 l = 类命令 2 一厂商提供的命令 3 一保留 d 4 一o ：接收对象 0 一设备 l = 接口 4 3 l ：保留 b r e q u e s t ：表示u s b 命令的编码值：w v a l u e 、w i n d e x ：根据1 i 同的命令，含义不 同，具体可参考u s b1 i 协议中关于u s b 命令的部分；w l 朋g m ：表示在完成命令 控制传输的数据阶段，要求传输数据的字节长度。 u s b 协议定义了1 1 个标准命令，在这里只给出几个比较常用的标准命令及描 述，其余命令及具体设置可参考u sb 1 i 协议。 g e l d e s c r i p t o r ：获取设备的某种表尊描述符。 s e l a d d r e s s ：设置设备地址。 s e l _ c o n f i g u r a t i o n ：激活设备的某个配置。 浙江大学硕士学位论文 2 2 7u s b 总线的枚举 u s b 总线的枚举即每一个设备在正常工作之前必须完成主机对它的配置过 程。在u s b 总线枚举过程中，u s b 设备依次经历下面几个状态：接入态、加电态、 默认态、地址态、配置态。 枚举的具体过程如下： 1 当设备接入到集线器的某个下游端口时，集线器将通知主机有设备连上， 设备此时处于加电态。 2 主机含询集线器并确定事件的性质，是否有新设备插上。 3 如有设备插入，主机等待至少l o o m s ，之后给集线器的帽应端口发复位 和使能命令，其中复位命令发出后应等待1 0 m s 后，再发使能命令。之后 端口被启用，殴各处于零地址状态，并从总线获得小于l o o m a 电流。 4 通过默认地址0 和控制端点o ，来获取设备的设备描述符，并确定控制传 输的最大数据包字节数。 5 主机获取设备所有描述符。 6 发s e l c o 曲g u r a t i o n 命令，激活设备的配置。此后，设备配置完成，则可 以从总线获得所要求的电量，并准备就绪。 2 3 通信接口的硬件设计 这里选用u s b l 1 接口器件p d i u s b d l 2 ( 以下可简称d 1 2 ) 作为接口芯片， 选用t i 公司的数据处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 以下可简称l f 2 4 0 7 a ) 作为控制器。 选用l f 2 4 0 7 a ，一方面是和d 1 2 结台实现u s b 通信功能，使u s b 接口的设计比较 灵活。另一方面，l f 2 4 0 7 a 作为一种现在被普遍使用的电力电子数字控制器可与 功率器件集成在p e b b 内部，使p e b b 的配置更加灵活，各种功能更易实现。 2 3 1p d i u s b d l 2 芯片介绍 p d i u s b d l 2 是p h i l l p s 公司生产的符合u s b l 1 协议的u s b 接口芯片。此芯片 是带有并行总线和局部d m a 传输能力的全速u s b 接口器件。片内集成了高性能 的u s b 接口器件、s 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部 浙江大学硕士学位论文 微控制器处理器实现高速并行接口( 2 m b ，s ) 。 d 1 2 的功能描述 d 1 2 功能结构图如图2 5 所示。 图2 5p d i l j s b d l 2 功能结构图 其各部分介绍如下： 模拟收发器 集成的收发器接口可以通过终端电阻直接与u s b 电缆相连。 s 0 c o m e c t t m 5 啦o h n p c f 与u s b 的连接是通过1 5 kq 上拉电阻将d + 设置为高实现的。 1 5 k q 上拉电阻集成在d 1 2 内部，默认情况下不与v c c 连接，其连接是通过软件命 令来实现的。可实现在与u s b 主机连接之前完成初始化时序，同时u s b 总线可以重 新初始化而不必拔出电缆。 p l l 锁相环 片内集成了6 m h z 4 8 m h z 时钟乘法p l l 。 电压调整器 片内集成了一个用于模拟收发器供电的3 3 v 的调整器。该电压还可作为输出 连接到外部1 5 kq 的上拉电阻i 二。 浙江大学硕士学位论文 位时钟恢复 用于从u s b 数据流中恢复时钟，跟踪u s b 规定范围内的抖动和频源。 p h i l i p s 串行接口引擎( p s ) p s 匝通过硬件实现了全部的u s b l 办议层，包括：同步模式的识别、并行，串 行转换、位填刃解除填充、c r c 校验产生、p m 校验，产生、地址识别和握手评 停i 产生。 g d d 以i 舭州 能够提供良好的u s b 连接指示。 存储管理单元( m m u ) 和集成r a m m m u 利集成r a m 用于u s b 速度差异的缓冲区。 并行和d m a 接口 用于和控制器直接相连。d 1 2 支持多路复用和非复用的地址和数据总线；支 持主端点与本地共享r a m 之间宣接读取d m a 传输；还支持单周朗和突发模式的 d m a 传输。 d 1 2 端点描述 d 1 2 共有3 各个端点，可以通过s e tm o d e 命令配置为4 种不同的模式，分别为 表2 5 表2 8 。 表2 5 ：模式o ：非同步传输 端点数端点索引传输类型 端点类犁 方向最大信息包规格，b oo 控制输出 默认 输出 1 6 1 控制输入默认输入 1 6 l2 普通输出普通输出 1 6 3 普通输入 普通 输入 1 6 2 4 普通输出普通 输出 6 4 5 普通输入普通输入 6 4 表2 6 ：模式1 ：同步输h 传输 端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格厂b 0o 控制输出默认输出 1 6 1 控制输入 默认 输入 1 6 1 2 普通输出 普通 输出 1 6 3 普通输入普通输入 1 6 24 同步输出同步输出 1 2 8 浙江大学硕士学位论文 2 4 通信接口的软件设计 通信接 j 的软件设计即为u s b 设备的固件程序设计。u s b 设备接口固件的开 发在整个u s b 接 j 设计中具有举足轻重的地位。设备接口硬件需要软件的协同来 完成相应的工作，然而固件的编制并不受具体微处理器种类的限制。 程序设计采用前后台的j 二作模式。即前台采用循环的方式来查询各种事件标 志，后台用于处理各种中断服务程序。当c p u 处理前台任务时，u s b 的数据传输 可以在后台进行，确保r 更佳的传输速度和软件结构。 固件中的设计可以分为以下几个部分： 夺底层硬件操作：主要对硬件接l j 直接操作。 夺d 1 2 命令接口：对d 1 2 自身的各种操作命令。 夺中断服务程序：t 要只u s b 传输中产生的中断请求，由d s p 来完成数据 的发送和接收。 夺u s b 命令的处理：包括标准命令和p e b b 类命令的响应。 夺主循环程序：主要用来奁询各种事件标志，执行相应操作。 2 。4 1 底层硬件操作 底层硬件操作直接与d 1 2 硬件接口相天，用来完成对d 1 2 发送数据或命令以 及读取数据。以下两个函数分别为d 1 2 发送数据或命令子程序和读取d 1 2 数据于 程序。 v o i do u t p o r t b ( u n s i g n e di n ta ( 1 d r e x t e r ni n tv a r ： v a r = d a t a ： i f ( a d d r = = d 1 2 一d a t a ) a s 皿( ”1 d p # 一v a r ”) ： a s ( ”o u t v a r ，0 6 h ”) ： e l s e a s ( ”i d p # v a r ”) ： a s m ( ”o u t v a r ，0 7