（电力系统及其自动化专业论文）电力推进系统的集中控制的研究.pdf

哈尔滨1 程大学硕士论文 a b s t r a c t d a t at r 癌ci so n eo f l em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ec o n t r o lo ft h e p r o p u l s i o ns y s t e mo fn a v a lv e s s e l s ，a n dt h es p e e d ，r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fi t i sr c l a t e dw i t l lt h ee f f e c ta n de f f i c i e n c yo f t h ec o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c ho ni t i si m p o r t a n t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ep r o p u l s i o ns y s t e mo fn a v a l v e s s e l s ，t h er e q u e s to fc a p a b i l i t yo fc e n t r a lc o n t r o lo fp r o p u l s i o ns y s t e mo f n a v a lv e s s e li sh i g ha n dh i g h e s p e c i a l l yi nt h ef u t u r e ，n a v a lv e s s e l sw i l lg e n e r a l a d o p tm o d eo fe l e c t r i cp r o p u l s i o n 1 1 l et w op a r t sa r ei n v o l v e di n t h i sp a p e r , a u s bc a r da n dt h ec o m p u t e rs o f l w a r eo fn a v a lv e s s e l s c o n t r 0 1a r ed e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y t h em a j o rc o n t e n ta r ef o l l o w i n g ： a t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h eu s bc a r di sf i n i s h e d e m p o l d e rad a t a c o l l e c t i o nc a r dt h a tc a nc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e at e c h n o l o g yi s e x p l o r e dt h a tau s bd e v i c ei sd e v e l o p e dr a p i d l yt o o b u s i n gt h ev ca n dt h ed d kd e v e l o p st h ed e v i c ed r i v e ro f t h eu s bc a r d t h et y p eo f t h ed r i v e ri sw d m a n di tc a nb er u n n i n gi nw i n d o w s2 0 0 0 t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yt h a tt h ed e v i c ed r i v e ri s d e v e l o p e di s e x p l o r e dt o o c u s i n gt h ev cc o m p i l es o f t w a r eo fp r o p u l s i o ns y s t e mo fn a v a lv e s s e l s i n c l u d ec o l l e c t i o no fe x p e r i m e n t a t i o nd a t a ；d i s p o s e ；s t o r a g ea n d p a i n t i n go f c u r v eo f e x p e r i m e n t a t i o n t h eu s bc a r dc a nb er u n n i n gi nw i n d o w s2 0 0 0s t e a d i l ya n ds a f e l y t h e d e v e l o p m e n ti ss u c c e s s f u l t h ec o m p u t e rs o f t w a r ei sap a r to ft h ec o n t r o ld e v i c e o ft h ee l e c t r i cp o w e rp r o p u l s i o ns y s t e mw h i c hi sap r o j e c ta m o n gt h e “2 1 1 ” p r o j e c t s t h es o f t w a r ec a r lb er u n n i n gs t e a d i l ya n db ep r a i s e db yt h ee x p e r t sa n d a t t e n d e e s k e yw o r d s ：ac a r do f d a t ac o l l e c t i o n p d i u s b d l 2 c o m m u n i c a t i o no f t h eu s bb u s c e n t r a lc o n t r o lo f p r o p u l s i o ns y s t e mo f n a v a lv e s s e l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：彩。毛兽 日期：加箩年月、7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 舰船中最重要的部分之一就是舰船的推进系统。没有推进系统，舰船将 无法航行。推进系统的优劣往往决定着舰船动力性能，而推进系统的集中控 制决定着是否能够有效、快速、稳定安全地来控制推进系统。随着舰船技术 的不断发展，尤其是舰船推进系统的快速发展，对舰船推进系统的集中控制 的性能要求越来越高。尤其是不久的将来，舰船将全面采用全电力推进方式， 对推进系统的集中控制的要求越来越高。 在潜器的推进系统中，主推进和姿态控制一般都采用全电力推进方式， 对集中控制的要求很高。对于进行这方面的研究不仅对潜器的推进系统的集 中控制发展有益，而且对将来的全电力舰船的推进系统的集中控制及仿真是 十分有意义的。 1 1 1 国内外集中控制中的数据传输发展情况 在推进系统的集中控制中，包括数据采集、数据传输、总控计算机接口、 计算机总控软件等部分。重要的组成部分之一就是数据传输部分。数据传输 部分对于控制系统的性能往往影响较大。系统要求电机信息和控制信息的数 据能够快速、实时、可靠地进行传输。为了提高集中控制系统的性能，一般 在提高数据采集和传输的速率、稳定性等方面及总控计算机软件进行改进。 目前，在舰船推进系统的集中控制中的数据传输使用的一般是通过 r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 等串行接口来实现的，虽然可以满足现在的数据通讯要求， 但存在着传输速率低、可靠性差、可扩展性差、实时性差等缺点，无法满足 现代推进系统控制的发展要求。对于舰船推进系统的集中控制的发展是不利 的。因此需要一种新的数据通讯系统来替代现有的系统。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是通用串行总线。最初u s b 是由c o m p a q 、 d i g i t a l 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m ( 北方电信公 司) 七家公司共同开发的一种新的外设连接技术。诸家公司联合提出这一新型 总线，是为了解决p c 机外围设备的拥挤和提高设备的传输速度。目前普遍采 用的u s b l 1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速 1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据 传输，u s b 的最大理论传输速率仍达1 2 i v l b s 或9 6 m b s ，远高于一般的串行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总线接1 3 ”1 。若在舰船中采用该技术，不仅可以充分保证推进系统的集中控 制通讯的要求，而且可与舰船中其他控制系统相联系。 随着各种类型的u s b 产品陆续推出，u s b 通信的优点越来越广泛地被人 们所熟知。作为通用串行数据总线，u s b 具有以下优点”1 ： 1 用户使用方便。设各自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持动态 接入和动态配置。 2 应用范围广。传输速率从几k b s 至几m b s ，总线支持同步和异步传 输方式。 3 具有同步带宽。保证带宽，音频传输失真小。 4 灵活。支持不同频率的设备。 5 稳定。协议中包含错误检测，支持热插拔。 6 易于与p c 接口。支持即插即用。 7 成本低廉。 8 易于升级。 对推进系统实现计算机控制，必须通过某种总线将控制器和计算机连接 起来。这就需要通过计算机接口实现u s b 总线与计算机的连接与通讯。在目 前的计算机接口中，并行的有i s a 、p c i 、并口，串行的有i e e e1 3 9 4 、通用 串口等。i s a 由于其传输性能差，已经淘汰：i e e e1 3 9 4 虽然传输速率很高， 但是其造价高，使用不是很广泛；而p c i 总线以其高性能、高稳定性十分适 合在工业控制领域应用，但使用的时候不如u s b 接口方便。因此，本文就借 助微处理器和p c 机的接口芯片p d i u s b d l 2 来完成u s b 总线的通信。 1 1 2 国内外潜器运动控制的发展情况 在对舰船推进系统的控制中，国内外现在用的主要有两种，第一，最多 的是用m a t l a b 来仿真的。只有数学模型，而没有实际的舰船模型，另外一种 是在实际水下实验航行进行数据测试，性能分析不仅经费开销巨大，而且实 验效率较低，存在风险。为了能够在实验室的条件下，同样进行潜器的运动 研究与实验，同时为了能够对潜器操纵进行模拟训练，迫切地需要研制开发 一套潜器运动模拟系统，为在实验室环境下研究潜器提供条件。 1 2 课题的主要工作 课题的工作可分为u s b 总线与计算机接口软硬件的设计和制作及船舶电 力推进集中控制装置软件的开发两大部分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 基于p d i u s b d l 2 芯片的u s b 总线通信的软硬件的设计 p d i u s b d l 2 芯片是p h i l i p 在u s b l 1 协议设备使用最多的芯片之一。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u s b 接口器件、s i e 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器，可与任 何外部微控制器微处理器实现高速并行接口( 2 m b s ) 。p d i u s b d l 2 可理想地 用于许多外设，例如打印机、扫描仪、外部的存储器、加密狗和数码相机等。 微处理器选用常用的8 9 c 5 2 。与p d i u s b d l 2 通用并行总线p 0 连接，8 9 c 5 2 单片机的主要作用：l _ w i n d o w s 系统配置、枚举u s b 外设时，8 9 s 5 2 发送、接 收相关的u s b 设备信息。2 w i n d o w s 系统配置、枚举u s b 外设成功后，根据 接收到的i d ，进行相应的操作，起控制作用。 8 9 c 5 2 内有两个外部中断源，它在3 3 5 v 的工作电压范围内的工作速率 范围为1 2 m h z ，这使得它有较高的速率和存储空间来应付u s b 通讯。单片机 8 9 c 5 2 与p d i u s b d l 2 之间通讯采用中断方式，数据交换主要是靠8 9 c 5 2 单片 机给p d i u s b d l 2 发命令和数据来实现的。p d i u s b d l 2 通过这种方式来识别命 令和数据：在a l e 信号的下降沿时锁定地址，如果是奇地址，那么它接收的 是命令；如果是偶地址，那么它发送或接收的是数据。p d i u s b d l 2 的中断寄 存器只要不为0 ，它的中断输出引脚( i n tn ) 就保持低电平，所以系统初始 化时可将8 9 c 5 2 单片机的外部中断( 下降沿触发) 引脚i n t o 设置为带上拉电 阻输入。当p d i u s b d l 2 的中断寄存器由零变为非零时，马上触发8 9 s 5 2 的外 部中断，8 9 s 5 2 单片机在中断处理时，读取p d i u s b d l 2 芯片的状态寄存器以 清除中断寄存器中对应位，使得中断引脚变为高电平。这样使得8 9 s 5 2 可以 在退出中断后，可随时响应外部中断。 u s b 设备的软件设计主要包括两部分”1 ： 、u s b 设备端的单片机软件，主要完成u s b 协议处理与数据交换。数 据采集，数据存储和数据交换。 二、p c 端的程序，由u s b 驱动程序和用户服务程序两部分组成，用户服 务程序通过u s b 驱动程序通信，由系统完成u s b 协议的处理与数据传输。 8 9 c 5 2 单片机控制程序由三部分组成：第一、初始化8 9 c 5 2 和p d i u s b d l 2 。 第二、主循环部分，主要任务是判断标志位是否改变，如果改变则执行相应 的程序，否则一直循环等待中断。第三、中断服务程序，主要任务是接收、 发送数据，设置相应的标志位。主机首先要发令牌包给p d i u s b d l 2 ，p d i u s b d l 2 接收到令牌包后就给单片机发中断，单片机进入中断服务程序，首先读 p d i u s b d l 2 的中断寄存器，判断u s b 令牌包的类型，然后执行相应的操作。 因此，单片机程序主要就是中断服务程序的编写。在u s b 单片机程序中要完 成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是s e t u p 包，主要是端点0 的编 程。系统初始化部分包括系统时钟，1 0 口，中断设置( 开外部中断) ，p d i u s b d l 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 芯片软件复位、初始化。该主流程的核心部分是协议层的请求处理，它关系 到p c 机枚举u s b 外设成功与否。所以在调试单片机程序的时候，要特另注意 w i n d o w 对u s b 设备的枚举顺序。如果枚举成功，主机将找到新的设备，提示 安装驱动程序，否则找到未知设备，u s b 外设不可用。其次是使用端点1 接 收计算机发送的命令，并且根据命令通过端点2 给计算机发送需要的数据。 目前编写主机的u s b 驱动程序主要采用三种方法。 第一，使用w i n d o w sd d k 来编写驱动程序，难度很大，但是非常灵活； 第二，使用d r i v e r s t u d i o 开发工具来生成驱动程序； 第三，使用w i n d r i v e r 开发工具来生成驱动程序。用后面两种方法来丌 发驱动程序的周期短，但是不灵活。本系统的驱动程序采用d d k 编写，用户 服务程序能够通过驱动程序与p d i u s b d l 2 芯片中任意端点通讯，因此编写用 户服务程序也是非常灵活的。 计算机管理程序的开发用v c6 0 。利用v c 里封装的a p i 函数c r e a t e f i l e 、 r e a d f i l e 和w r i t e f i l e 等函数进行通过驱动程序对硬件的操作。 1 2 2 电力推进集中控制软件的开发 1 电力推进集中控制的通信主要是依靠数据采集卡来和普通串口来完 成。 数据采集卡为上述制作的带u s b 通信的采集卡，其带有a d 芯片( m a x l 9 7 ) 和d a 芯片( m a x 7 5 2 0 ) 。根据计算机通过u s b 接口给单片机发送的命令，然 后再通过u s b 接口把相应的数据发送给计算机或者发送给d a 芯片。这样就 完成了数据的采集和发送。 r s 一2 3 2 标准接口e i ar s 一2 3 2 是美国电子工业协会正式公布的串行总线 标准，也是目i j i 最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计 算机与外设之间的数据通讯。r s 一2 3 2 串行接口总线适用于：设备之间的通讯 距离不大于1 5 m ，传输速率最大为2 0 k b p s 。一个完整的r s 一2 3 2 接口有2 2 根 线，采用标准的2 5 芯插头座。但目前多采用9 芯r s - 2 3 2 串行接口。 2 电力推进集中控制软件的主要功能： 1 在每次进入软件环境试验之前，用户都必须建立本次试验运行的 数据库，这个数据库在用户试验结束的时候自行关闭，在整个试 验过程中，所有数据将存储在这个数据库中。 2 工况控制：控制集中控制系统内的所有设备的工作：包括控制方 式，工作，停止，工作参数设置等( 主要为电机的转速) 。 3 实时采集系统内各设备的模拟量( 主要有工作电流，电压，转速， 频率等) ，开关量( 主要是电机的正反转) ，并用数据库存储。 4 绘制历史工作曲线：对已经采集的数据可以选择绘制工作曲线 ( 包括电流，电压，转速，频率等) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 历史参考：用户选择历史数据库以后通过设置查询的约束条件可 以从数据库中读出需要的数据纪录进行分析，打印或者做出历史 数据曲线。( 包括电流，电压，转速，频率等) 。 6 绘制实时工作曲线：工作过程中，对已经采集的数据绘制曲线， 可以选择需要绘制的曲线。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章u s b 总信通信的硬件设计 2 1u s b 总线简介 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线协议是以i n t e l 为主并有c o m p a q 、 m i c r o s o f t 、i b m 、d e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 以及日本n e c 等共七家公司共同 制定的串行接口标准，1 9 9 4 年1 1 月制定了第一个草案，1 9 9 6 年2 月公布了 u s b 规范版本1 0 。u s b 可把多达1 2 7 个外设，同时联到你的系统上所有的外 设通过协议来共享u s b 的带宽其1 2 m b p s 的带宽，对于键盘鼠标等低中速外设 是完全足够的( 注在1 9 9 9 年2 月发布的u s b 规范版本2 0 草案中已建议将 1 2 m b p s 的带宽提升到1 2 0 2 4 0 m b p s u s b ) 。允许外设在主机和其它外设工作时 进行连接配置使用和移除，即所谓的即插即用p l u g p l a y 。同时u s b 总线 的应用可以清除p c 上过多的i o 端口而以一个串行通道取代使p c 与外设之 间的连接更容易。 u s b 的推出主要有三个目的：一是使安装使用设备更加容易，使用u s b 几乎所有的中低速设备都可以用相同的电缆和接头与p c 相连。即使是不懂得 硬件知识的人也可以安全的安装和使用u s b 设备，u s b 所具有的即插即用特 性更是体现了它的便捷；二是扩展u s b 的i o 能力从理论上讲u s b 最多可以 支持1 2 7 个外设，总带宽达1 2 m b s ，可以满足几乎所有的中低速设备的要求， 如果用户想增加一个外设只需将它插到某个h u b 的一个端口即可；三是支持 声音和压缩影蒙等实时数据的传输，这为集成语音电话等功能提供了一个简 单的途径，这也是u s b 将得以发展的一个重要因素。可以支持u s b 的外设十 分广泛，比如鼠标、键盘、游戏杆、显示器、扫描仪、打印机、麦克风、数 字相机等等另外还有一种高速的串行接口i e e e l 3 9 4 传输率可达l o o m b ，2 0 0 m b 乃至4 0 0 m b 主要用于高速设备的数据传输如硬盘光驱等。 u s b 从推出到现在已经快两年了，到目前虽然还没有得到广泛的应用， 但已经有许多软硬件产品支持u s b 了。自从厂家把u s b 所需的控制芯片加入 到外围设备的a s i c 专用i c 中，p c 对u s b 的支持只需要增加成本不到1 美元 的插座，这大大刺激了u s b 的发展。m i c r o s o f t 推出的p c 9 8 和p c 9 9 系统已 宣布将u s b 和h i d 作为其支持的工业标准之一，可以预见u s b 将在今后的几 年里得以发展它将成为标准的设备接口。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2u s b 总线的系统结构 2 2 1 总线拓扑结构 u s b 总线的物理连接是一种分层的菊花链结构，集线器( h u b ) 是每个星形 结构的中心。p c 机就是主机和根h u b ，用户可以将外设或附加的h u b 与之相 连，这些附加的h u b 可以连接另外的外设以及下层h u b 。u s b 支持最多5 个 h u b 层以及1 2 7 个外设。图2 1 描述了u s b 的物理拓扑结构，从中可以看出 每一段的连接都是点对点的。 图2 - iu s b 物理总线的拓扑 2 2 2u s b 的物理层 u s b 的物理接口包括电气特性和机械特性。 u s b 通过一个四线电缆来传输信号与电源，其中d + 和d 一是一对差模的 信号线，而v b u s 和g n d 则提供了5 v 的电源，它可以给一些设备( 包括h u b l 供电，电缆线最长为5 m 。 u s b 提供了两种数据传输率一种是1 2 m b 的高速( f u l ls p e e d ) 模式，另一 种是1 5 m b 的低速模式。这两种模式可以同时存在于一个u s b 系统中，而 引入低速模式主要是为了降低要求不高的设备的成本，比如鼠标、键盘等。 u s b 信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超 过5 m 。而在低速模式时可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 m 。这主要是由于信号衰减的限制，为了提供信号电压保证，以及与终端负 载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载，这种终端负载也保 证了能够检测外设与端口的连接或分离，并且可阻区分高速与低速设备。 所有的设备都有上行的接口。上行和下行的接头是不能互换的，这保证 了不会有非法的连接出现。插头与插座有两个系列a 和b ，系列a 用于基本 固定的外围设备，而系列b 用于经常拔插的设备，这两个系列是不能互换的。 2 2 3u s b 设备 u s b 设备包括h u b 和功能设备，而功能设备又可以细分为定位设备、字 符设备等。为了进一步叙述，我们给出端点( e n d p o i m ) $ 口管道( p i p e ) 的概念。 端点：每一个u s b 设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过 端点与设备进行通讯，以使用设备的功能。每个端点实际上就是一个一定大 小的数据缓冲区，这些端点在设备出厂时就已定义好。在u s b 系统中，每一 个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一 定的特性。其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的 最大容量等。端点必须在设备配置后才能生效( 端点0 除外) 。 端点0 通常为控制端点，用于设备初始化参数等，端点l 、端点2 等一 般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。 管道：个u s b 管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连 接，它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置，管道就存 在了。管道有两种类型，数据流管道( 其中的数据没有u s b 定义的结构) 与 消息管道( 其中的数据必须有u s b 定义的结构) 。管道只是一个逻辑上的概 念。 所有的设备必须支持端点0 以作为设备的控制管道。通过控制管道可以 获取完全描述u s b 设备的信息，包括：设备类型、电源管理、配置、端点描 述等。只要设备连接到u s b 上并且上电，端点0 就可以被访问，与之对应的 控制管道就存在了。 一个u s b 设备可以分为三个层。最底层是总线接口，用来发送与接收包。 中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通。一个端点是数据最终的 使用者或提供者，它可以看作数据的源或接收端。最上层就是u s b 设备所提 供的功能，比如鼠标或键盘等。 2 2 4u s b 主机 u s b 主机在u s b 系统中处于中心地位，并且对u s b 及其连接的设备有 着特殊的责任。主机控制着所有对u s b 的访问，一个外设只有主机允许才有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 权力访问总线，主机同时也监测着u s b 的结构。 u s b 主机包括三层，设备驱动程序，u s b 系统软件，u s b 主控制器( 主机 的总线接口) 。另外，还有两个软件接口。u s b 驱动u s b d 接口，主机控制驱 动( h o d ) 接口。 2 2 5u s b 数据流 从逻辑上讲，u s b 数据的传输是通过管道进行的。u s b 系统软件通过缺省 管道( 与端点o 相对应) 管理设备，设备驱动程序通过其它的管道来管理设备 的功能接口。实际的数据传输过程是这样的，设备驱动程序通过对u s b d 接口 ( u s bd r i v e ri n t e r f a c e ) 的调用发出输入输出请求( i r e ，i or e q u e s t p a c k e t ) ：u s b 驱动程序接到请求后调用h c d 接口( h o s tc o n t r o ll e rd r i v e r i n t e r f a c e ) ，将i r p 转化为u s b 的传输( t r a n s f e r ) ，一个i r p 可以包含一个 或多个u s b 传输；然后h c d 将u s b 传输分解为总线操作( t r a n s a c t i o n ) ，由主 控制器以包( p a c k e t ) 的形式发出。需要注意的是，所有的数据传输都是由主 机开始的，任何外设都无权开始一个传输。 i r p 是由操作系统定义的，而u s b 传输与总线操作是u s b 规范定义的。 为了进一步说明u s b 传输。我们引出帧f r a m e 的概念。 帧：u s b 总线将l m s 定义为一帧。每帧以一个s o f 包为起始，在这l m s 里u s b 进行一系列的总线操作。引入帧的概念主要是为了支持与时间有关的 总线操作。 为了满足不同外设和用户的要求，u s b 提供了四种传输方式：控制传输、 同步传输、中断传输、批传输。它们在数据格式、传输方向、数据包容量限 制、总线访问限制等方面有着各自不同的特征。 控制传输( o o n t r oit r a n s f e r ) 1 通常用于配置命令状态等情形。 2 其中的设置操作s e t u p 和状态操作s t a t u s 的数据包具有u s b 定义的结 构，因此控制传输只能通过消息管道进行。 3 支持双向传输。 4 对于高速设备允许数据包最大容量为8 ，1 6 ，3 2 或6 4 字节，对于低速设备 只有8 字节一种选择。 5 端点不能指定总线访问的频率和占用总线的时间u s b 系统软件会做出 限制。 6 具有数据传输保证在必要时可以重试。 同步传输( is o c h r o n o u st r a n s f e r ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 是种周期的连续的传输方式，通常用于与时间有密切关系的信息的 传输。 2 数据没有u s b 定义的结构数据流管道。 3 单向传输如果一个外设需要双向传输则必须使用另一个端点。 4 只能用于高速设备数据包的最大容量可以从0 至u 1 0 2 3 个字节。 5 具有带宽保证并且保持数据传输的速率恒定，每个同步管道每帧传输 一个数据包。 6 没有数据重发机制要求具有一定的容错性。 7 与中断方式一起占用总线的时间不得超过一帧的9 0 。 中断传输( 1n t e r r u p tt r a n s f e r ) 1 用于非周期的自然发生的数据量很小的信息的传输如键盘鼠标等。 2 数据没有u s b 定义的结构数据流管道。 3 只有输入这一种传输方式即外设到主机。 4 对于高速设备允许数据包最大容量为小于或等于6 4 字节，对于低速设 备只能小于或等于8 字节。 5 具有最大服务周期保证即在规定时间内保证有一次数据传输。 6 与同步方式一起占用总线的时间不得超过一帧的9 0 。 7 具有数据传输保证在必要时可以重试。 批传输( b uikt r a n s f e r ) 1 用于大量的对时间没有要求的数据传输。 2 数据没有u s b 定义的结构数据流管道。 3 单向传输，如果一个外设需要双向传输则必须使用另一个端点。 4 只能用于高速设备允许数据包最大容量为8 1 6 3 2 或6 4 字节。 5 没有带宽的保证，只要有总线空闲就允许传输数据优先级小于控制传 输。 6 具有数据传输保证，在必要时可以重试，以保证数据的准确性。 2 3u s b 总线协议 所有总线操作都可以归结为三种包的传输，任何操作都是从主机开始的， 主机以预先排好的时序发出一个描述操作类型、方向、外设地址以及端点号 ( 这将在以下部分给予解释) 的包，我们称之为令牌包( t o k e np a c k e t ) 。然后 在令牌中指定的数据发送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输。 而数据的目的地一般要以一个确认包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 作出响应以表明传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输是否成功。 2 3 1 域的类型 同步域( s y n cf i e l d ) ：所有的包都起始于s y n c 域，它被用于本地时钟与 输入信号的同步，并且在长度上定义为8 位。s y n c 的最后两位作为一个记号表 明p i d 域( 标识域) 的开始。 标识域( p a c k e ti d e n t i f i e rf i e l d ) ：对于每个包p i d 都是紧跟着s y n c 的。 p i d 指明了包的类型及其格式。主机和所有的外设都必须对接收到的p i d 域进 行解码。如果出现错误或者解码为未定义的值，那么这个包就会被接收者忽 略。如果外设接收到一个p i d ，它所指明的操作类型或者方向不被支持，外设 将不作出响应。 地址域( a d d r e s sf i e l d ) ：外设端点都是由地址域指明的它包括两个子域 外设地址和外设端点。外设必须解读这两个域，其中有任何一个不匹配这个 令牌就会被忽略。 外设地址域( a d d r ) 指定了外设，它根据p i d 所说明的令牌的类型，指明了 外设是数据包的发送者或接收者。a d d r 共6 位，因此最多可以有1 2 7 个地址。 一旦外设被复位或上电，外设的地址被缺省为0 ，这时必须在主机枚举过程中 被赋予一个独一的地址。而o 地址只能用于缺省值，而不能分配作一般的地址。 端点域( e n d p ) 有4 位，它使设备可以拥有几个子通道，所有的设备必须支 持一个控制端点0 ( e n d p o i n t0 ) 。低速的设备最多支持2 个端点：0 和一个附加 端点。高速设备可以支持最多1 6 个端点。 帧号域( f r a m en u m b e rf i e l d ) ：这是一个l l 位的域，指明了目前帧的排 号，每过一帧( i m s ) 这个域的值加1 ，到达最大值x f f 后返回o 。这个域只存在 于每帧开始时的s o f 令牌中。s o f 令牌在下面将详细介绍。 数据域( d a t af i e l d ) ：范围是o 1 0 2 3 字节而且必须是整数个字节。 c r c 校验：包括令牌校验和数据校验。 2 3 2 包的类型 令牌包( t o k e np a c k e d ) 其中包括：i n ( 输入) 、o u t ( 输出) 、s e t u p ( - 设置) 矛 s o f ( s t a r to ff r a m e ， 帧起始) 四种类型。其中i n 、o u t 、s e t u p 的格式如闵2 2 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 b i t4 b i t 7 b i t 5 b i t 图2 2 i n 、o u t 、s e t u p 数据格式 对于o u t 和s e t u p 来说，a d d r 和e n d p 中所指明的端点将接收到主机发出的 数据包，而对i n 来说所指定的端点将输出一个数据包。 t o k e n 并h s o f 在三个字节的时间内以一个e o p ( e n do fp a c k e t ) 结束，如果 个包被解码为t o k e n 包但是并没有在3 个字节时间内以e o p 结束，它就会被看 作非法或被忽略。 对于s o f 包它的格式如图2 3 所示主机以一定的速率( 1 m s o 0 5 一次) 发送 s o f 包s o f 不引起任何操作。 8 b i t1 1 b i t 5 b i t 图2 3 s o f 数据格式 数据包 包括d a t a o 和d a t a l 两种类型。这两种包的定义是为了支持数据触发同步。 数据包包含t p i d 、d a t a 和c r c 三个域如圈2 4 8 b i t o - 1 0 2 3 b k 1 6 b “ 图2 4d a t a 数据格式 应答包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 仅包含一个p i d 域( 图2 5 ) 。h a n d s h a k e 用来报告数据传输的状态。只有 支持流控制的传输类型( 控制、中断和批传输) 才能返回h a n d s h a k e 。 8 b i t 叵 图2 5p i d 数据格式 哈尔滨工程人学硕士学位论文 h a n d s h a k e 包 h a n d s h a k e 包有三种类型： ( 1 ) 确认包a c k ：表明数据接收成功。 ( 2 ) 无效包n a k ：指出设备暂时不能传送或接收数据，但无需主机介入， 可以解释成设备忙。 ( 3 ) 出错包s t a l l ：指出设备不能传送或接收数据，但需要主机介入才能 恢复。 n a k 年h s t a l l 不能由主机发出。 特殊包( s p e c i a l ) ：p i d 名称为p r e ( p r e a m b l e ) ，用于低速操作的情形。 2 3 3 总线操作的格式 批操作( b u ikt r a n s a c t io n ) ： 批操作包括令牌、数据、应答三个阶段，如图2 6 所示。对于输入操作， 如果设备不能返回数据，那么必须发出n a k 或s t a l l 包；对于输出，如果设备 不能接收数据，也要返回n a k 或s t a l l 。 f o k e n 厂 f t t c t i o n 图2 6 批操作流程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制操作( c o n t r o it r a n s a c tjo n ) ： 控制操作( c o n t r o lt r a n s f e r ) ：主要包括两个操作阶段( t r a n s a c t i o n s t a g e ) ：设置和状态。图2 7 给出了设置操作的细节，如果数据没有正确接 收，那么设备就会忽略它，而且不返回应答包。 t ( ) k e n 图2 7 控制操作流程 中断操作( i n t e r r u p tt r a n s a c t i o n ) ： 中断操作只有输入这一个方向，具体格式与批操作的输入情形类似。如 图2 8 所示。 同步操作( is o c h r o n o u st r a n s a c tlo n ) ： 同步操作不同于其他类型，只包含两个阶段：令牌和数据。因为同步传 输不支持重发的能力，所以没有应答阶段。另外它也不支持数据的触发同步 与重试。如图2 9 所示。 1 4 当 一 一 一f 卓睾一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( i k 巨 t b s t l - j _ j f 1r _ 1 e ：二。：j h o s t l j 4 i j c t i o l l 图2 9 同步操作流程 2 4u s b 接口芯片的选择 目鲍用于开发u s b 设备的芯片很多，但主要有两类：一类是带u s 8 接口的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微控制器( m c u ) ，这些微控制器有些是从底层专用于u s b 控制的，比虫n c y p r e s s 半导体公司的e z u s b 2 t 0 0 系列；另一类是的u s b 接口芯片，如p d i u s b d l 2 。 前者价不但价钱贵，而且还需要另外的仿真器或评估板：而后者价钱便宜( 不 到1 0 元) ，且可以用人们所熟悉的各种微处理器，不但节省了开发成本，更 重要的是缩短了开发周期。 本文以p d i u s b d l 2 和8 9 c 5 2 控制器为核心设计硬件电路。p d i u s b d l 2 与 8 9 c 5 2 的数据交换采用中断方式。开关量的输入和输出选用h d 7 2 7 9 a 。该芯片 具有串行接口，可同时驱动8 位共阴极数码管( 或6 4 只独立的l e d ) 的智能显 示驱动芯片，该芯片同时还可连结多达6 4 健的键盘矩阵，单片即可完成l e d 显示，键盘接口的全部功能。模拟量的输入采用两片m a x l 9 7 芯片。该芯片是8 路( 1 2 位) 的并行a d 转换芯片，数据分两次采集，第一次采集低8 位，第二 次采集高4 位。模拟量的输出采用m a x 7 5 2 0 。该芯片具有1 路( 1 0 位) 的串行d a 转换芯片，输出电压可在2 7 v 一5 v 之间变化，采用串行输入，因为8 9 c 5 2 单片 机只有8 位数据线，所以另外在加2 个d 触发器作为另外两路的输入。采用 d i p 一1 6 封装。 2 4 1u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 简介 p d i u s b d l 2 芯片是p h i l i p 在u s b l 1 协议设备使用最多的芯片之一。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 u s b 接口器件、s i e 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器，可与任何外部微 控制器微处理器实现高速并行接口( 2 m b s ) 。p d i u s b d l 2 可理想地用于许多 外设，例如打印机、扫描仪、外部的存储器、加密狗和数码相机等。 p d i u s b d l 2 所具有的低挂起连同l a z y c l o c k 输出，可以满足使用a c p i 、 o n n o w 和u s b 电源管理的要求，其低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外 设。 此外，p d i u s b d l 2 还集成了许多特性，包括s o f t c o n n e c t 、g o o d l i n k 、可 编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统节约了 大量的成本，同时使u s b 功能在外设上的应用变得容易。 p d i u s b d l 2 功能框图如图2 1 0 所示。 哈尔滨1 程火学硕士学位论文 图2 1 0功能框图 说明： 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。 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 q 内部上拉 电阻的软件连接技术。 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 ，这样就可使用低成本的6 m h z 晶振， e m i 也随之降低。p l l 的工作不需要外部元件。 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，能 跟踪u s b 规定范围内的抖动和频漂。 p h i l i p s 串行接口引擎( p s i e ) p s i e 实现了全部的u s b 协议层，且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、c r c 校验 产生、p i d 校验产生、地址识别和握手评估产生。 s o f t c o n n e c t s o f t c o n n e c t 与u s b 连接是通过1 5 kq 上拉电阻将d + ( 用于高速u s b 器件) 设置为高实现的。1 5 kq 上拉电阻集成在p d i u s b d l 2 片内，默认状态下不与v c c 相连，其连接的建