（电机与电器专业论文）基于usb总线和labview多路温度测试仪开发.pdf

a b s t r a c t w o r k i n gp a r a m e t e r so fd c d cc o n v e n e ri nf u e lc e l le l e c t r i c 、，e h i c l e ( f c e v l i n c l u d ev o l t a g e ，c u r r e n t ，e f f i c i e n c y , s i z e ，w e i g h t ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n t e m p e r a t u r e p a r a m e t e r i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t h o wt or e a l i z er e a l t i m e m o n i t o r i n go f m u l t l 。p o i n tt e m p e r a t u r ei nd c d cc o n v e r t e ra n dp r o v i d er e l i a b l e t e m p e r a t u r e p a r a m e t e rh a v eb e c o m ed i r e c ts o u r c eo ft h i ss u b j e c t u s b p o s s e s s e st h ec h a r a c t e r so fp l u g a n d p l a y , c o n v e n i e n tu s i n g ，e a s yt oe x p a n d a n ds t r o n ga n t i 。i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ya n ds oo n n o w a d a y s ，u s bi n t e r f a c eh a sf o u n d w i d ea p p l i c a t i o ni nv a r i o u sp e r i p h e r a l e q u i p m e n to fp c m o r e o v e r , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) b a s e do np cc o m p u t e r h a sm a d eg r a t ep r o g r e s s i tr e p r e s c n t st h ef u t u r eo ft e s ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i s p a p e ra i m st oc o m b i n eu s bb u st e c h n o l o g yw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d a p p l yt h e mt ot h et e s ts y s t e m i ta i m st om a k ef u l lu s eo fr e s o u r c e so ft h el a b o r a t o r y a n dd e s i g nam u l t i _ t e m p e r a t u r et e s ti n s t r u m e n tb a s e do nu s b a n dl a b v i e w f i r s t l y ，r o u g h l yg r a s p i n gd c d cc o n v e r t e rm a i nc i r c u i tt o p o l o g y t h e na d o p t m i c r o c o n t r o l l e rc h i pw i t hu s be x t e n s i o nf u n c t i o na n dh i g h p r e c i s i o nt e m p e r a t u r e s e n s o rp ti0 0 0t od e s i g nt h ec u r r e n ts o u r c et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nc i r c u i ts c h e n l a t i c a n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r d c o m p i l ef i r m w a r e p r o g r a mo fm c uo nt h eb a s i so f e l e c t r o n i cc h i pd a t a s h e e ta n du s bp r o t o c 0 1 p e r f o r mc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n b e t w e e np ca n dt e m p e r a t u r et e s ti n s t r u m e n tw i t hn i v i s a u s el a b v i e ws o 脚a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mt o d e v e l o pu s e ri n t e r f a c ea n de s t a b l i s har a t i o n a lr e p o r t g e n e r a t i o ns y s t e mw h i c hc a l le f f e c t i v e l ys t o r a g et e s td a t aa n d p r o v i d eu s e rq u e r i e s u t i l i z i n gn i - v i s at od e v e l o pu s bd r i v e rs y s t e m ，i th a sg r e a t l vr e d u c e d d e v e l o p m e n tt i m ea n dc o s t s t h ei n t e g r a t i o nd e b u g g i n go ft h ew h o l et e s ts y s t e ma n d o n s i t ee x p e r i m e n th a v eb e e nd o n e f i n a l l y , t e s tp r e c i s i o no ft h e s y s t e mi sa l s o a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n td a t as h o wt h a ti th a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u i t s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r et e s t ，u s b ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v l e w i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：曼灵恕 肼，月罗日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：立灵拖 加7 年f 月夕日 第l 章引言 1 1 绪论 第1 章引言 二十世纪六十年代以来，随着汽车工业不断发展，以石油产品为动力源的 车辆所排放的废气成了影响地球气候和污染自然环境的主要因素。与此同时由 于石油储量有限，石油需求与常规石油供给之l 、日j 将出现缺口。近些年来能源危 机和环境污染问题日趋严重，社会对环保节能等要求也在逐步提高。未来汽车 产业在发展新技术、提高汽车燃油经济性的同时，必须考虑车用替代燃料的发 展问题。 燃料电池电动汽车将燃料电池作为动力源，直接将燃料的化学能转化为电 能，经电动机驱动车辆运行1 2 i 。燃料电池汽车具有高效率、零排放、无污染、低 噪声等高科技优势，大大减少了污染环境的氮氧化合物的产生，代表了未来汽 车使用新型能源和节能环保的发展趋势，领导着汽车工业革命的新潮流。应用 这一技术，不仅能减少汽车工业对日益短缺的传统能源的依赖，而且会推动人 类社会进入一个新的洁净能源一氢能的时代。目前质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) 作为第五代燃料电池具有能量转化率高、低温启动性好、无电解质泄漏 等优点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源1 3 i 。 基于这种需求，世界各国均在投巨资发展电动汽车。我国也充分认识到发 展燃料电池轿车的巨大前景和潜力，并采取了相关措施大力推动燃料电池轿车 的研究和开发。燃料电池电动汽车的研究和产业化己列入我国“十一五”8 6 3 计 划，成为能源技术领域的最新课题，是一个具有长远战略意义又有近期迫切需 要的重大项目。一些汽车制造公司，如戴姆勒一克莱斯勒、本田、丰田、通用以 及福特等都开发了自己的燃料电池电动轿车1 4 j i 射。我国政府也十分重视燃料电池 轿车的关键技术的研究，“九五”期间，国家科技部将燃料电池关键技术列入国家 攻关计划。“十五”期间，燃料电池轿车及其关键技术的研究和样车的研制开发， 被列入国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项。由大连物理化学研究所和上海神力科技有 限公司为轿车研制的大功率燃料电池系统已在燃料电池轿车上进行集成。采用 自主开发框架式车身，并装备我国自主研发的燃料电池发动机系统、车用d c d c 变换器、电机及驱动控制器、蓄电池及管理系统，由上海燃料电池汽车动力系 第1 章引言 统有限公司与同济大学共叫研制出了“超越一号”、“超越二号”和“超越- 二号”燃料 电池轿车。 1 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器足八十年代中期提出的新概念。虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是通过应用程序将计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面 ( 通常叫做虚拟仪器前面板) 操作这台计算机，就好像在操作自己定义、设计的一 台单个传统仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、 显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量、 控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户 接口。其实质是通过计算机来实现和扩展传统仪器的功能。与传统仪器一样， 虚拟仪器也可划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块1 6 j 。在虚拟 仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出。软件才是整个仪器系统的 关键。它将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，从而把计算机强大的 处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成 本和体积。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法 改变的模式。任何使用者都可以通过修改软件的方法设计自己的仪器系统，改 变或增减仪器系统的规模和功能，满足多种多样的应用需求。所以虚拟仪器有“软 件就是仪器之说”。如图1 1 所示为虚拟仪器内部功能划分图。 a c q t i i s i t i o n d a 下aa n a l y s i s d a t a a n dc o n t r o lp r e s e n t a t i o n 采集与控制 数捌分析 数捌表达 p l u g i nd a t a d l g i t a ls i g n a l a c q u i s i t i o n p r ( ) c e s s i n g n e t w o r k i n g 插入式数据采集数守信母处理 9 c 】4 络 g p l b ( i e e e - 4 8 8 )一l d i g i t a lh a r d c o p y f i l t e r i n g 一 l o u t p u t g p i b 仪器 1 r1r 数7 滤波硬拷贝输出 s t a t i s t i c s p x i n x i 仪器文件f i l ei 0 统计 n u m e r i c g r a p h i cu s e r r s 2 3 2 u s b 仪器 i n t e r f a c e 数7 分析 图彤用户接u 图1 1 虚拟仪器内部功能划分图 虚拟仪器一般由以下三部分组成： 2 第l 章引言 ( 1 ) 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部分。使用正确的软件工具并通过设计或 调用特定的程序模块，可以高效地创建自己l j o 胜用以及友好的人机交互界面。 虚拟仪器软件由两大部分构成。一部分是应用程序，主要实现虚拟面板功能的 前面板软件程序。另一部分为i o 接口仪器驱动程序，这类程序用来完成特定外 部硬件设备的扩展、驱动与通信。 虚拟仪器应用程序的软件开发环境有很多，基本上可以被分为两种：一种 是基于传统文本式编程语言的软件开发环境，如v i s u a lb a s i c 、v c + + 、 l a b w i n d o w s c v i ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t s ) 等；一种是基于图形化语言的编程环 境，如l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 、h pv e e ( v i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) - 等7 。 n i 公司提供的行业标准图形化编程软件l a b v i e w 作为图形化编程语言 的典型代表，具有扩展函数库的通用编程语言，适合于任何编程任务。它不仅能 轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力。设 置数据处理、转换、存储的方式并将结果显示给用户。 ( 2 ) 通用仪器i o 硬件 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：一部分是计算机，一般为一台p c 或者 工作站，它是硬件平台的核心；另一部分为i o 接口设备，主要完成被测输入信 号的采集、放大、模数转换等。可以根据实际情况采用不同的i o 接e l 设备( 卡) ， 如数据采集卡d a q ( d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ) ，g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模 块、p x i 总线仪器模块、串口仪器等。 ( 3 ) 用于集成的软硬件平台 目前，虚拟仪器能支持p c i 、g p i b 、p x i 、v x i 、u s b 及f i e l d b u s 等总线接 口模式从而可以构成以d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系 统，以g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、p x i 系统、v x i 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式1 8 1 。各种总线 硬件平台均有自己的特点。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合 信号同步采集，借助高性能硬件平台，都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带 来的优势。 虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器 领域技术发展的一个重要方向。虚拟仪器是以软件开发仪器为主，硬件只是一 3 第1 章引言 个安捅在计算机内的数据采集卡，起到模数转化或数模转化的作用，仪器的其 他显示、分析、计算等数据处理功能全部通过软件来实现。虚拟仪器技术综合 运用了计算机技术、数字佶。o 处理技术、标准总线技术和软件工程化方法，代 表了测量与控制技术的未来发展方向| 9 i 。 1 3u s b 的起源发展及特点 1 9 9 4 年底以i n t e l 为首的七家公司推出了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) 第一个协议规范，专用于中、低速计算机外设与p c 机之问的数据传输。 自此u s b 协议规范稳健发展，从最初的1 0 版本到2 0 0 0 年4 月发表的u s b 规 范2 0 版本，最高数据传输速率由最初的1 2 m b p s 达到现在的4 8 0 m b p s i 加l 。 如今u s b 己经成为p c 上的标准接口，并迅速占领了计算机中、低速外设 的市场。从普通计算机用户，计算机工程师到硬件芯片生产厂商都已经完全认 可了u s b 。厂商对于u s b 硬件和软件支持的也越来越完备，现在开发u s b 外 设产品，所需要投入成本和时间大大降低了，几年前是没有办法做到这一点的。 目前u s b 技术在国外己处于高速发展阶段。尤其是在高速数据传输速度、 高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。从事u s b 数据采集开发的企业 公司也很多，如d a t x 公司的d t 9 8 3 4 系列产品，美国o c e a no p t i c s 公司的 a d c1 0 0 0u s b ，n i 公司的u s bd a q 卡系列。近两年u s b 数据采集开发在国 内已经开始起步，并迅速发展，水平不断提高。市场上国内的主要产品有北京 优采公司的u a 3 0 0 系列、四川拓普公司的u d a q 、u b o x 、u c a r d 等系列。 国内各企业、科研机构正积极跟踪国外最新技术，不断提高u s b 数据采集的研 究开发，力争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质。 u s b 之所以有着巨大的魅力主要是由于它存在许多其他总线无法比拟的优 点。其主要优点可归结为以下几点i l i i ： ( 1 ) 速度快。u s b 有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为 1 2 m b p s 。为适应一些不需要很大吞吐量和高实时性的设备，如鼠标等，u s b 还 提供低速方式，速率为1 5 m b p s 。相比之下，串口数据传输率是1 1 5 k b p s ，2 3 0 k b p s ， 标准并口的数据传输率为1 m b p s ，这些都要低于u s b 的传输速率。 ( 2 ) 设备安装和配置容易。u s b 设备支持即插即用，安装u s b 设备不必再 打开机箱，添加或者移除设备，完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热拔 4 第1 章引言 插，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者d m a 资源。u s b 为电缆 和连接头提供了单一模型，解决了外设越来越多造成的插槽紧张问题。 ( 3 ) 易于扩展。用u s b 连接的外围设备数目最多达1 2 7 个。标准u s b 电缆 长度为3 米( 低速5 米) 。通过h u b 或中继器可以使外设距离达到1 2 米。 ( 4 ) 采用总线供电。u s b 总线提供最大达5 v ，5 0 0 m a 电流，系统无需另备 电源。对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。 ( 5 ) 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) ，以适应不同设备需要。 ( 6 ) 电源干扰影响极小。放置在计算机机箱外，不受箱内的板问电源干扰。 在电磁干扰较严重的环境下，可以为采集系统专门设计屏蔽方案。 ( 7 ) 价廉物美。实现u s b 功能的模块具有低廉的价格。目前，许多厂家都 有u s b 产品。在国内应用较多的u s b 微控制器主要有n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 系列、c y p r e s s 半导体公司的c y 7 c 6 3 系列和p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 系列等。 1 4 虚拟仪器技术与u s b 技术的结合 从事虚拟仪器开发的厂家和公司现在开始很注意u s b 通用串行总线和 i e e e l 3 9 4 串行总线虚拟仪器的开发。一是因为虚拟仪器系统主控经常采用p c 机，而当今p c 机已经更多地采用u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线，二是因为u s b 总线得到了广泛的支持。例如微软公司的w i n d o w s9 8 ，w i n d o w s2 0 0 0 操作系统 全面支持u s b 总线，w i n d o w sc e 和w i n d o w sn t 5 0 也支持u s b ，同时s u n 公 司和d i s t a l 公司等也支持u s b 。再加上u s b 具有其它总线无法比拟的优点，这 些都为它成为虚拟仪器发展最有前途总线之一奠定了坚实的基础1 1 2 i 。 传统的开发u s b 驱动程序的步骤是先用w i n d o w sd d k ( 设备驱动程序开 发包) 或第三方开发工具( 如d r i v e rs t l j d i c ) ) 开发l j s b 驱动程序，然后用v i s u a l c + + 编写d l l ( 动态链接库) ，最后再调用d l l 来开发应用程序。显然这对 w i n d o w s 编程不熟悉的人来说有一定的难度，更何况u s b 驱动程序的开发难度 本身很大。 而由美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司开发的虚拟仪器开发软件 l a b v l e w 和用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口n i v i s a ( v i r t u a l 5 第1 章引言 i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 简称”v i s a ”) 很好地解决了这一难题。采用 l a b v i e w 编写仪器驱动，用v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 函 数来实现l a b v i e w 与u s b 之间的通信。采用v i s a 的好处在于，不需要了解底 层的实际接口类型，无论是g p i b 、串口还是其他接口，只需要掌握v i s ai o 函 数库，程序运行时就会根据实际接口类型自动调用相应的接口驱动程序例程， 从而完成通信操作。v i s a 是虚拟仪器系统i o 接l = l 软件，不受平台、总线和环 境的限制，可用来对u s b 、g p i b 、串口、v x i 、p x i 和以太网系统进行配置、 编程和调试。基于自底向上结构模型的v i s a 创造了一个统一形式的i o 控制函 数集。一方面，对简单任务的设计者来说，v i s a 提供了简单易用的控制函数集， 在应用形式上相当简单；另一方面，对复杂系统的组建者来说，v i s a 提供了非 常强大的仪器控制功能与资源管理i l3 l 。所以直接在l a b v l e w 环境下通过 n i v i s a 开发能驱动用户u s b 系统的应用程序，完全避开了以前开发u s b 驱动 程序的复杂性，大大缩短了开发周期。 1 5 课题研究目的与意义 在燃料电池电动汽车的动力系统中，d c d c 变换器是其不可或缺的重要部 件。d c d c 的诸如工作电压、电流、效率、体积、重量、冷却介质温度、工作 环境温度、e m c 、抗机械震动性能这些参数指标中温度参数是一个尤为重要的 参数。变换器内部有多点的温度比如电感线圈铁芯、母线铜排、腔体和冷却水 温度等这些温度参数都需要实时监测。虽然中大功率d c d c 转换器的效率有了 很大提高，但由于功率密度较大，电流流过导通电阻，开关管不停开关工作， 电感线圈磁芯损耗等这些因素产生的功耗会变成热量使变换器内部温度迅速升 高，温度超过一定值就会严重影响模块的寿命，甚至会因为过热造成失效，从 而影响到整车的动力性能、能源利用效率及其它控制系统稳定可靠的运行。 所以如何对d c d c 变换器内部多点温度参数进行实时监测从而为d c d c 变换器提供可靠的温度参数就成为本课题的直接来源和选题依据。虚拟仪器技 术的应用给科研工作带来极大的便利，其代表公司就是美国的n i 公司。该公司 的产品包括一系列软硬件，其中虚拟仪器软件l a b v l e w 使用方便，功能强大， 是开发虚拟仪器系统不可多得的工具。但该软件只支持n i 公司自己和少数第三 方生产的数据采集卡，而通常这些数据卡价格都十分昂贵。对于我国国内一般 6 第1 章引言 使用的d a q 卡都不支持。这样就存在若要使用l a b v i e w 软件开发上位机用户 界面的便捷性时必须购买该软件支持的价格昂贵的数据采集卡的问题。而这样 会使得很多科研资源白白浪费。本课题基于这一现状采用议1 战的成本研究开发 的基于u s b 总线和l a b v i e w 的嵌入式温度测试仪很好地解决了这一问题。 1 6 主要研究内容 本课题的研究目的就是将u s b 总线技术和虚拟仪器技术结合起来，充分利 用实验室现有资源，在大致了解d c d c 变换器内部主电路拓扑结构基础上，完 成基于u s b 总线和l a b v i e w 的嵌入式多路温度测试仪的开发。本文主要研究 内容包括以下几方面： 第一章，引言； 第二章，u s b 系统资源及通信协议简介，包括有关u s b 系统构成，机械和 电气特性以及有关u s b 通信协议的简单介绍； 第三章，温度测试仪硬件设计，包括被测对象d c d c 结构及实验参数了解， 温度传感器选型，测试电路各部分设计以及印刷电路板设计。其中比较详细介 绍了温度信号调理部分的设计思路和方法； 第四章，测试仪软件系统设计，包括下位机固件程序设计和上位机l a b v i e w 用户界面程序设计； 第五章，系统软硬件调试和精度分析，包括调试工具介绍，调试步骤和现 场实验结果。并对测量数据进行了精度分析； 第六章，结论与展望，总结课题研究所取得的成果以及对后续工作的展望。 7 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 u s b 以u s b 主机为核心，以外围的u s b 设备为功能组成了整个系统模型。 也就是说，u s b 提供的是主机和设备中间的一种数据通信服务。u s b 通过总线 支持主计算机和许多外设之间的数据交换。外设通过主机调度分配来共享u s b 带宽。在主机和外设工作期问，总线允许外设动态地连接、配置、使用及断开 连接。u s b 提供三种数据传输速率，高速4 8 0 m b s 、全速速率1 2 m b s 及低速速 率为1 5 m b s 。 2 1u s b 系统构成 2 1 1p c 上的u s b 系统组成部分 p c 上的u s b 跟其他p c 组件一样包括硬件和软件两大部分。硬件完成物理 上的接口和实体功能，软件则和操作系统配合管理硬件完成数据流的传输。一 个比较完整的p c 体系上的u s b 组成部分如图2 1 所示。 图2 1p c 系统上的u s b 主机系统 8 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 u s b 主控制器和根h u b 是p c 上的硬件，一般由u s b 主控制器芯片、u s b h u b 控制器芯片、u s b 端口连接件及控制器外围电路等组成。u s b 主控制器芯 片提供u s b 的收发物理层，实现u s b 电缆上差模信号与数字信号的转换并提供 端点的物理存储机制，还能根据u s b 的传输机制自动管理各个端点的存储和数 据交换。此外u s b 主控制器还需提供与外围控制c p u 的接口电路，通过并行或 串行方式连接到c p u 总线上，从而建立与c p u 的通信。根h u b 是u s b 的第一 级h u b ，提供u s b 的物理接口。根h u b 为u s b 主机上的第一道门户，它直接 提供下行端1 5 1 供外围设备使用。一般的u s b 主控制器芯片本身会集成根h u b l l 4 1 。 u s b 系统软件有u s b 核心u s b 驱动程序和u s b 主控制器驱动程序组成。 其中u s b 核心驱动程序是整个软件体系核心，起到一个中阳j 桥梁的作用。由它 解释u s b 设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列u s b 事务，然后发送 给u s b 主控制器驱动程序。u s b 核心驱动程序不与u s b 主控制器硬件直接打 交道，而是通过u s b 主控器驱动程序这个媒介来与u s b 主控制器硬件进行通信。 u s b 主控制器驱动程序负责管理最底层的驱动任务，控制和管理底层硬件，负 责将u s b 事务发送给u s b 主控制器芯片，并最终将串行数据发送到电缆上。 u s b 核心驱动程序和u s b 主控制器驱动程序是由支持u s b 的操作系统来提供 的。u s b 设备类驱动程序则是由特定的u s b 设备用户自己开发，以此来实现特 定的u s b 传输特点。三个驱动层次之间的关系如2 2 图所示： 图2 2u s b 主机驱动层次 u s b 设备类驱动程序把用户要求的u s b 命令发送给u s b 主控制器硬件， 同时初始化内存缓冲区，存储所有u s b 通信中的数据。每种u s b 设备都需要设 计相应的设备类驱动程序。用户软件是用户与u s b 系统之间的一种界面，用于 9 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 完成用户对于u s b 的控制和实时的数据交互。对于u s b 系统，用户软件并不是 必须的。当用户需要通过u s b 来实现数据传输，并且需要对数据做特殊处理而 操作系统无法完全支持时就需要开发用户软件。 2 1 2i j s b 设备 u s b 设备是指能够通过u s b 来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。 与u s b 主机的结构对应，u s b 设备同样分为3 个层次：功能单元、逻辑设备和 总线接口。如图2 3 所示： 图2 3u s b 设备结构 总线接口是最底层物理实体，是u s b 发送和接收数据的接口。它通过电缆 直接与u s b 主机交换串行数据，并实现串行到并行数据的转换。 逻辑设备是u s b 协议栈的主体。由它来处理总线接口和不同端点之i 日j 的数 据，实现u s b 的各种基本行为。 不同u s b 设备的特点由功能单元来实现。带u s b 接口的不同设备功能都需 要与逻辑设备交换数据，通过u s b 实现自身的数据传输。 2 1 3 完整的u s b 系统软硬件组成 1 0 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 用j 软1 ， 和u s b【 没备驱动程序l 助能单儿 u s b 功雒6 tt 上 u s b 系统软件 ( u s b 核心驰动程序和卡挖u s b 逻辑设备 u s b 设薪层 制器驱动程序) tt u s b t 控制器u s b 总线接l u s b 接u 屋 p c 卡机系统u s b 设备 图2 4 完整的u s b 系统构成 如图2 4 所示为一个完整的p c 级u s b 系统软硬件组成及它们之间的关系。 由图可知，u s b 系统的软硬件资源可分为3 个层次：功能层、设备层和接 口层。接口层是指具体的物理层，主要实现物理信号和数据包的交互，即主机 端u s b 主控制器和设备端的u s b 总线接口之问传输实际的数据流。设备层主要 提供u s b 基本的协议栈，执行通用的u s b 各种操作和请求命令。最后功能层提 供每个u s b 设备所需的特定设备功能。主机端的这个功能由用户软件和设备驱 动程序提供，设备端由功能单元来实现。 2 2u s b 的机械和电气特性 2 2 1u s b 电缆 u s b 定义了标准a 系列和标准b 系列两种插头插座。标准a 系列：这种扁 平式插头插座应用最普遍，主要应用于p c 端连接。p c 上就是这种a 型插座。 常见的u 盘和u s b 电缆上用的就是这种a 型插头。标准b 系列：这种方形插 头插座应用的要少一些，主要应用在设备端连接。在一些打印机、数码伴侣等 体积较大的设备上就是用的b 型插座，相应的电缆就是用的b 型插头。一般u s b 设备上是放置的是插座，电缆端是插头，匹配连接。这样更便于携带和使用。 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 标准的u s b 电缆由3 部分组成：a 型插头、b 型插头和电缆线组成。在协 议中对这些接捅件的尺寸进行了严格的规定。凶此世界上任何一家公司生产出 来的u s b 电缆都是同一规格的，这为u s b 产品的通州一i ，i 奠定了基础。 u s b 电缆采用的是四线结构。电源线为v b u s 和g n d 两根，差模信号数据 线为d + 和d 两根。u s b 的四根电缆线在u s b 中有同定不变的数宁编号以及不 同的颜色。v b o s 、d + 、d 及g n d 信号线对应的电缆线颜色分别为红色、白色、 绿色和黑色i l 5 。 2 2 2u s b 供电模式 u s b 设备和h u b 采用白供电( s e l f - p o w e r ) 和总线供电( b u s p o w e r ) 两种供 电模式。自供电是指该u s b 设备或h u b 能够自己提供电流，而无需从v b 惦上提 取电流。这样做的好处在于该设备在工作时功率不必受u s b 协议的限制，可以 根据自身电源的能力任意提取电流；但该设备必须带有另外的电源设备，增加 了体积和成本i l 引。 而总线供电模式则为耗电量小的设备提供了一种方便的连接方式，能够完 全从u s b 总线的v b 惦获得所需电流。但这样的设备运行时所耗的功率受到u s b 协议的限制，不能无限制地从总线上取得电流。无论总线供电还是自供电的u s b 设备都只能从v b 上获得电流而不能向v b u s 提供电流。 若外设欲从总线取得大于1 0 0 m a 的电流时，必须等到主机表示o k 。通常这 种情况是发生在检测设备的时候。在读取配置描述符后，主机会检澳r j m a x p o w e r 字段内要求的电流值。如果此要求的电流值能够满足，主机会传送一个 s e t _ c o n f i g u r a t i o n 要求来配置外部设备。在检测设备的时候，主机会得知设备是 自供电还是总线供电，以及设备能够从总线上取得的最大电流。设备的配置描 述符的m a x p o w e r 字段，指出设备所需的最大总线电流。所有的集线器都有过电 流保护，以避免过多的电流流入设备内。 u s b 供电的工作状态也分为两种，即正常工作( n o r m a l ) 状态和挂起 ( s u s p e n d ) 状态。如果总线供电设备在3 m s 内没有总线操作，即u s b 总线处 于空闲状态的话，该设备就需要自动进入挂起状态。这时从总线上提取的电流必 须小于5 0 0 u a 。5 0 0 u a 电流包括h u b 和主机端1 5 k 终端匹配电阻电流，这个值 通常为2 2 0 u a 。因此总线供电设备在进入挂起状态后总功耗不超过2 8 0 u a 。 1 2 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 在进入挂起状态后，可以通过唤醒( r e s u m e ) 操作来恢复到正常状态。唤 醒操作既【】丁以由主机发送唤醒操作或复位信号来触发，也可以由设备自行通过 远程唤醒术头现。处于挂起状态的设备通过发送信号给主机，使得主机恢复处 理其u s b 事务。 2 3u s b 通信流 u s b 在主机软件和功能设备之问提供了通信服务。实际通信流的完整定义 支持逻辑设备和功能设备层的通信。u s b 的逻辑设备对系统来说是端点的集合。 端点被分成完成接口任务的端点集。u s b 系统软件使用默认管道管理设备。客 户软件使用管道束( p i p eb u n d l e ) 。 客户软件要求数据通过主机上的缓存和u s b 端点之间进行数据传输。主控 制器( 或u s b 设备，依赖于传输方向) 将数据打包( p o c k e t s i z e ) 后，在总线上传输。 2 3 1 设备端点 端点是u s b 设备上具有一定存储功能的数据缓冲区。所有u s b 总线设备都 是通过端点与u s b 总线系统连接。一系列独立端点构成了u s b 总线逻辑设备。 在设备连接时，系统给每一逻辑设备分配唯一地址。设备中每一个端点在设备 内部有唯一的端点号。每一端点具有数据传输的方向。设备地址、端点号和传 输方向的三者结合来区别不同的设备。所有的u s b 设备均需要实现缺省的控制 管道。这种控制传输将使用0 号输入输出端点。一旦设备连接上，端点0 就可 进行存取。端点号不为0 的端点在设置前处于未知状态，只有在设置后主机才 能访问。 2 3 2 管道 由0 号端点组成的管道称为默认管道。该管道在设备一旦加上电源和总线 复位后就可使用。而别的管道当u s b 设备配置后才存在。默认控制管道被主机 系统软件用来确定设备标识及配置设备。当设备的设置完成后，服务这个设备 的客户软件中的特定功能也可以使用该缺省控制管道。 u s b 管道是设备上端点和主机上软件之间传输信息的路径。管道内有两种 1 3 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 不同且互斥的管道通信格式1 1 4 l ： ( 1 ) 数据流( s t r e a m ) ：通过管道传输数据，u s b 没有定义具体的结构格式。 ( 2 ) 消息流( m e s s a g e ) ：通过管道传输数据，u s b 定义具体的结构格式。 流管道中的数据是流的形式，即该数据的内容不具有u s b 总线要求的格式。 数据从流管道一端流进的顺序与它们从另一管道流出的顺序是一样的。流管道 中的通信流是单方向的。流管道只能连接到一个固定编号的端点上，流进或流 出该端点。编号是由协议层决定的，具有这个编号的另一个方向的端点可以分 配给其他流管道。在流管道中传输的数据支持先进先出的原则。流管道支持同 步传输、中断传输和批量传输。 消息管道与端点的关系同流管道与端点的关系不同。首先从主机向u s b 设 备发出一个请求，接着就是数据的传输，最后是状态阶段。为容纳请求一数据 一状态的变化，消息管道要求数据有一个格式，以便命令被可靠地识别和通信。 默认控制管道也是一个消息管道。在设备侧只有当前的消息处理完后，下一消 息才可从主机送出。消息管道支持控制传输。 2 4u s b 数据传输类型 u s b 的传输是u s b 面向用户的最高级数据结构。针对设备对系统资源需求不 同，u s b 共有4 种数据传输类型：控制传输、中断传输、同步传输和批量传输1 1 7 l 。 l 控制传输：此方式的数据传输量较小，主要用来做设备配置，获取设备 状态及传输一些指令。所有的u s b 夕 - 设都必须具有此种传输方式。从优先级别来 说，它的级别高于其它几种方式。 2 中断传输：该方式传送的数据量较小，但这些数据需要及时处理，以达 到实时的效果。这种方式主要用于键盘、鼠标、游戏杆等外设。 3 同步传输：该方式用于需要连续传输，而且对数据的j 下确性要求不高， 但对时间极为敏感的外设。同步传输以固定的传输速率连续不断的在主机和u s b 外设之间传输数据，在传输数据发生错误时，u s b 并不处理这些错误，而是继续 传送新的数据。所以在此方式下数据包结束时没有c r c 校验。 4 批量传输：该方式主要用于大量非周期数据的传输，在这种方式下，主 控制器会保证数据准确无误的传输，所以每个数据包结束时有c r c 校验，但是 主机不会保证频宽。此种方式的优先级别最低。 1 4 第2 章u s b 系统资源及通信协议简介 2 5u s b 设备枚举、配置 当u s b 设备第一次连接到主机上时，要接受主机的枚举和配置，目的就是让 主机知道该设备具有什么功能，是哪一类的u s b 设备，需要占用多少u s b 资源， 使用哪些传输方式以及传输的数据量有多大等等。只有主机完全确认了这些信 息后，设备j 能真正开始工作【1 引。在u s b 的枚举阶段设备会经历一系列的暂态。 每一个暂态都有一系列主机与设备之间的数据通信。只有经历了一定的暂态后， u s b 能进入稳定状态。 l 、动态插接与拔开 u s b 设备必须在任意时刻允许被插接与拔开。提供连接点或端口的集线器应 当负责汇报端口的状态改变情况。当主机探测到连接操作后，会使得所连的集 线器端口生效，设备也会因此而复位。一个被复位的u s b 设备有如下特性：对缺 省u s b 地址发生响应；没有被配置；初始状态不是挂起。当设备从一个集线器端 口移去时，集线器会使得原来连接的端口失效，并且通知主机设备己移去。 2 地址分配 当u s b 设备连接以后，由主机负责给此设备分配一个唯