（通信与信息系统专业论文）基于usb11总线的眼压仪数据采集系统研究(1).pdf

中文摘要 目前国内外使用的眼压测量技术主要采用接触测量法，激光干涉式眼压仪是 利用激光干涉的原理对眼压进行测量，这种方法是非接触式测量，病人无痛苦， 不会产生交叉感染。同时测量精度高、设备简单、成本低，便于普及。 本文介绍其中的数据采集系统，对光电转换后电信号进行后续处理。相对于 传统的做成板卡形式的数据采集系统而言，本系统中成功应用了u s b 接口技术。 u s b 接口支持热插拔、使用方便、传输速度高、兼容性好，日益受到人们的青睐。 在本系统中，单片机采集而来的数据通过u s b 电缆传到p c 机上，由p c 机进行 后续的处理。系统构成包括a d 变换单元、u s b 接口单元、键盘及l c d 显示单元、 步进电机驱动单元，a d 变换器将模拟信号转换为数字信号，然后读入单片机。 u s b 接口芯片将数据转换为u s b 格式，通过u s b 电缆传到计算机上。键盘和串 行l c d 液晶显示单元用来加强人机交互，可以反映系统运行状态，便于调试， 又能在必要的时候实现适当的人工干预。电机驱动模块用来控制5 7 b y g 6 1 3 步 进电机，并进而通过后续机械传动部件产生脉冲气流刺激眼角膜震动。完成了单 片机系统原理图设计、电路板制作、下位机u s b 协议固件程序设计、各个模块驱 动程序编写。单片机选用a t 8 9 c 5 2 ，u s b 接口芯片采用p h i l i p s 公司生产的带并 行接口的p d i u s b d l 2 ，电路制作采用p r o t e l 9 9s e ，软件开发环境选用k e i lc 。 该系统具有硬件结构简单、采集精度高、使用方便、界面友好等特点。 如果在本数据采集系统前端放置相应的传感器，还可以实现对温度、压力、 位移等现场信号进行数据采集，因此本系统还具有广泛的适用性。 关键词： 眼压仪 数据采集 u s b 单片机 l d 1 2 液晶显示 i n t r a o c u l a rp r e s s u r em e 删e m a n tb a s e do ni n t e r f e r e n t i a ll a s e ru s e sw a yo f n o n c o n t a c t ，t h u sc a l lr e d u c ep a i na n di n f e c t i o n i nt h es a n et i m e ，t h ed e v i c eh a st h e a d v a n t a g e s o fh i g h p r e c i s i o n ，s i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，l o w c o s ta n de a s yf o r p o p u l a r i z a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h em e a s u r e m e n tw h i c h d e a l sw i t l lt h ee l e c t r o n i cs i g n a l sa f t e ro et r a n s f o r m u s bi n t e r f a c et e c h n o l o g yi s u s e ds u c c e s s f u l l yi nt h es y s t e m t h et r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sm a d ei n t o t h ef o r mo fb o a r da n dc o n n e c t e dt ot h ec o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lp o r t ，p a r a l l e lp o r t ， i s ao rp c ii n t e r f a c e ，w h i c hi si n c o n v e n i e n tt ou s ea n dl i m i t e db yr e s o u r c e so ft h e c o m p u t e r i nt h i sp a p e r , an o v e li n t e r f a c e u s bi si n t r o d u c e d ，w h i c hi sm o r ea n d m o r ef a v o r e db yp e o p l ed u et oi t ss u p p o r t i n go f p l u ga n dp l a y , e a s yt ou s e ，h i g hs p e e d a n dc o m p a t i b i l i t y i nt h es y s t e m ，d a t aa c q u i r e db yt h em c ui st r a n s f e r r e dt ot h ep ct o b ed e a l tw i t l lt h r o u g hu s bc a b l e i tc o n t a i n so fa dc o n v e r s i o nu n i t u s bm t e r f a c e u n i t ，k e y s l c dd i s p l a yu n i t ，s t e p p i n gm o t o rd r i v i n gu n i t t l c 2 5 4 3a d cc h a n g e s t h ea n a l o gs i g n a l st od i g i t a lo n e sa n dt h e ns e n dt h e mt ot h em c u ，u s bi n t e r f a c e c i r c u i tp d i u s b d l 2 c h a n g e st h ed a t at ot h ef o r m a to f u s ba n dt h e nt r a n s f e r st h e mt o t h ep c k e y s & l c du n i t sa r eu s e dt oi m p r o v ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a c h i n ea n d o p e r a t o r s ，n o to n l yt or e f l e c ts t a t u so ft h er u n n i n gs y s t e m ，b u ta l s ot oi m p l e m e n t a p p r o p r i a t ei n t e r f e r e n c eo nc e r t a i nc o n d i t i o n s ；d r i v i n gc i r c u i t sa r eu s e dt od r i v et h e s t e p p i n gm o t o ro f5 7 b y g 6 1 3 u pt on o w , s c h e m a t i cd e s i g n ，p c bd e s i g n ，u s b f i r m w a r e ，d r i v i n gp r o g r a mo fl c da n dm o t o rd r i v h i gh a v eb e e nc o m p l e t e d t h e m c uu s e di sa t 8 9 c 5 2 c i r c u i td e s i g ns o f t w a r ea d o p t sp r o t e l 9 9s ea n ds o f t w a r ei s d e v e l o p e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fk e i lc t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l e c o n f i g u r a t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，e a s yt ou s ea n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h es y s t e ma l s oh a st h ea d a p t a b i l i t yt od e a l 、i t l ls i g n a l so ft e m p e r a t u r e d i s p l a c e m e n t ，e t c ，w h e nt h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o r sa r ea d d e d k e y w o r d s ： i n t r a o c u l a rp r e s s u r em e a s u r e m e n t u n i v e r s a ls e r i a lb u s m c u d 1 2 d a t a a c q u i s i t i o n l c d d i s p l a y 独剖性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以栎渡和致谢之处外，论文中不包含其他人融经发表 或撰写过黪磷突成暴， 塾不氢食为获褥墨塞盘茎缓其毽教弯规构豹学位竣涯 书 嚣使强；熏豹枣芎瓣。与我一霹工终静同志对零磅究艨骰静任舞贡献秘已程论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹚享镛装签字日期：吵护f 年月咱 学位论文版权使用授权书 本学饺论文作者完全了解差茎盘壁有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基涟是鲎可以将学能论文的全部或部分内容编入有关数据滕进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等笈制手段保存、汇编以供查阅和借阕。闷意学校 囊藿家毒蓑粼门或掇稳送交论文瓣复窜转露磁盘。 ( 傈密蠡哿学位论文在解密麟遁蘼本授投说骧) 学一稼一：滓颀发 r1 签字日期：o 年1 月一7 咱 l l 导帮熬名： 签字日期。年一用v 日 第一章概述 1 1 眼压仪简介 第一章概述 眼压就是眼球内部的压力。正常人的眼压稳定在一定范围内，以维持眼球的 正常形态。如果眼睛结构发生异常变化、外伤或眼内角闭塞时，往往就会引起眼 压升高。正常眼压在1 5 2 3 毫米汞柱( 1 7 2 6 千帕) 之间，过高过低都是病态， 眼压太高达3 0 毫米汞柱( 3 9 千帕) ，则要考虑青光眼，眼压过低则要考虑是否 为视网膜肃离，都会对眼球的“生命”带来威胁。因此，眼内压力大小是眼科医生 判断眼睛健康的重要标志，同时也是医生诊断和治疗青光眼的重要依据。眼压升 高是医学界所公认的青光眼之主要症状。 诊断青光眼的主要依据仍是病理性高眼压。因此，眼压测量值能否准确反 应眼内压力的“真实”值，直接关系到青光眼的早期诊断水平，为此，许多国家， 特别是美、日等发达国家，开展了对眼压测量技术的研究工作。 当前国内外采用的眼压测量技术以接触式为主，主要包括压平式、压陷式和 介于二者之间的气眼压计测量技术。它们的基本原理都是用测量仪器与眼角膜直 接接触，通过外力将本身为弧度的眼角膜表面压出一定面积，进而对眼压进行测 量。这种方法因为需要与眼睛进行直接的接触并用外力压迫病人的眼膜，病人痛 苦需要麻醉，而且极易带来病人之间的交叉感染，使用不方便。 目前国外也在进行非接触式眼压仪的研制，主要利用声波或者气流刺激眼角 膜进行测量。这些方案设备结构复杂，价格昂贵。文 1 4 中对各种眼压仪结构、 基本原理进行了简单介绍，可以看出目前眼压测量技术仍需经一步完善。 本系统为激光干涉式非接触眼压测量系统，这个系统与目前国内外其他类型 的非接触测量方法在原理上有很大的差别。它主要是利用激光干涉原理这种精密 的测量方法对眼压进行测量，采用这种方法既是非接触测量，病人无痛苦，不会 产生交叉感染，同时又勿需眼角膜有较大形变。另外我们采用的入射光依据卫生 组织指定的安全标准，光强非常微弱，经过实验对人眼不会带来任何不良反应。 采用激光干涉式测量方法精度高、设备简单、成本低，便于普及。 激光干涉式非接触眼压测量的具体方法是利用脉冲气流去激发眼角膜，使其 产生微弱的振动，再利用激光干涉测量法测量眼角膜的振动。由于激光干涉是公 认的精密测量方法，该方法完全可以测量角膜的受激振动，而眼角膜的振动与眼 内压力有着内在的关系。从眼角膜反射回的探测光束将携带角膜振动的多种参 数，通过光电转换、滤波、放大整形、计数等一系列数据采集处理系统，提取相 第一章概述 关信息参数，荐通过信息处理鼹豕眼压数僮。 眼压测嫩系统结构图在文 1 4 、 1 5 中都有详绷论述，另外文 1 5 从电的单 片机主控系统角度作了不少工作，文 3 2 重点阐述了系统中弱光检测单元，文 3 4 对眼压仪中傻用的干涉技术做了深入研究。 本文鹫# 受援纹中萃冀枫主羧系统悖了改透，改逡瘫蜜龟捂可靠戆遴露懑彀驱 动、l c d 嚣示，新增如u s b 技术熬弓l 入是本文特苞掰程。改进后的毫枫骠动电路 结构简单，解决了i r 2 1 1 0 芯片容易烧坏的缺点，瑕序考虑中断子程序调用时现 场保护、开停定时器以及中断响应等时间延迟，遗行更加稳定。由于p 0 口用来 与u s b 进行通信，l e d 显示模块撩到单片机的串行嗣上，同时软件编制消除了颤 辩瑶象。u s b 犊强使曩方蠖，传辍蘧褒裹。于涉惹熬您售号经光电转换聪避入弱 光捡溅单元，然螽峦本数据采集系统进行处理。 1 2 基于u s b i 1 总线眼愿仪数据采集系统概述 传统熬数据采集系统敷残投卡熬澎式，通过枣麓、i s a 或者p c i 接瓣：遥接到 计算辊上，这释方式安装麻矮，湖时占用计算视瓷深，如中断、y o 遗缝、d m a 通道等。u s b 接口简单、使用方便，同时支持热插拔、传输速度高，目前u s b i 1 在全速模式下可达1 2 m ，新推出的u s b 2 0 接口速度已达到4 8 0 m ，基y - u s b 接 口的器件日蕊受到人们的青睐。 本文介缀一静基于u s b i 1 憨线约数摇采集系统，单片辊采集丽采豹数据逶 过u s b 露蘸终鲻p e 穰上，由羊l i c 梳进行后续静楚壤。该系统其有硬捧缭零篱单、 采集精度离、使用方便、界面友好等特点。如粟在a d 转换器前面放鬣相应的 传感器，还w 以实现对温度、聪力、位移等信号的现场采集，因此本系统具有广 泛的适应性。 系统獠鬻黪聱1 。l 繇示。 图1 1 系统框图 2 一习习星至 一 攘嚣转嫩毂馘隈 l l 斗 第一章概述 眼压仪中光电转换后微弱电信号经滤波放大后送给本数据采集系统，a d d 变 换器将模拟信号转换为数字信号，然后读入单片机。u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 将数据转换为u s b 格式，通过u s b 电缆传到计算机上，由p c 机进行后续的数 据处理、分析。键盘和串行l c d 显示单元1 2 2 3 2 模块用来加强人机交互，可以 反映系统运行状态，便于调试，又能在必要的时候实现适当的人工干预。眼压仪 中通过步进电机及其后续机械传动器件运动产生脉冲气流，并进而激发眼角膜震 动，因此对步进电机稳定可靠的控制是该眼压仪中一项重要的关键技术。采用 s t 公司l 2 9 7 + l 2 9 8 芯片构成驱动电路，用来控制5 7 b y g 6 1 3 步迸电机运行。本 系统设计最初目的是用作眼压仪中电控制系统，a d d 转换用来处理弱光检测单元 送来的电信号，将系统前端传感器换成其它类型，如热电偶等，即可以测量温度、 压力、位移、心电信号等其它物理量，因此该系统具有较广泛的适用性。 1 3 全文结构安排 本文主要任务包括单片机系统原理图设计、电路板制作、u s b 设备协议程序 ( f i r m w a r e ) 编写等。其中： 第二章是系统中u s b 接口电路设计，选用p h i l i p s 公司p d i u s b d l 2 芯片，将 单片机采集数据通过u s b 总线送到p c 机上。 第三章是u s b 协议程序介绍，实现u s b l 1 协议用来进行m c u 与p c 机之间的 u s b 通信。 第四章介绍了系统中其它部分单片机通道接口的设计，包括a d 变换数据采 集单元、键盘及l c d 显示单元、电机驱动单元。 第五章是开发环境的选择，简单介绍了系统中使用的软硬件开发工具。 第六章是结束语，对全文做了总结，同时指出了后续的工作方向。 第二章u s b 接口电路设计 2 1u s b 简介 2 1 1u s b 起因 第二章u s b 接口硬件电路设计 通用串行总线架构( u s b ) 的目的主要基于以下三方面考虑： ( 一) 计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代 计算机基本的应用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网 络。然而，由于目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而u s b 则可以广 泛的连接计算机和电话。 ( 二) 易用性：众所周知，p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接 口和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少， 且易于改装。但以终端用户的眼光来看，p c 机的输入输出，如串行并行端口、 键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，u s b 正是在这种情 况下问世的。 ( 三) 端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一 个双向、价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备( 诸如电话电传 调制解调器的适配器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接只可对极少设备 进行优化，对于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需 要，u s b 就应运而生。它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口， 可以满足p c 机发展的现在和未来的需要。 2 1 2u s b 的发展历程 多年来个人计算机的串1 ：3 与并口的功能和结构并没有什么变化。串口的出现 是在1 9 8 0 年前后，数据传输率是1 1 5 k b p s 2 3 0 k b p s ，串口一般用来连接鼠标和 外置m o d e m ；并口的数据传输率比串口快8 倍，标准并口的数据传输率为1 m b p s ， 般用来连接打印机、扫描仪等。原则上每一个外设必须插在一个接口上，如果 所有的接口均被用上了就只能通过添加插卡来追加接口了。串并口不仅速度有 限，而且在使用上很不方便。 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r n t e l e c o m 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 篱二牵u s b 接墨邀鼹设计 2 。 u s b 筮会 2 1 1u s b 起因 第二潦u s b 接口硬件电路设计 通用串行总线架梅( u s b ) 的霸的主要基于以下三方藤考虑： ( ) 诗算撬与电话之淘豹连接：显然窝诗嚣飘来送嚣诗冀税邋傣穗是下一代 计算帆蕊本的应用。机器和人们的数据交互流渤需要一个广泛丽又便赢的连通网 络。然黼，由于目前产业悯的相互独立发展，尚米建立统一标准，而u s b 则可以广 泛的逡接计算机和电话。 ( ：) 易用性：众所周知，p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接 舀帮一悠软硬俘凝裁懿绪会，袈上囊一投慧线绫稳霞得诗篓掇懿冷突丈量藏多， 虽易予敬装。值以终端蠲产的眼光来看，p c 枫静输入输出，热警襻并行端日、 键盘、鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，u s bi e 是在这种情 况下问世的。 ( 三) 端口扩充：外围设铸的添加总是被相巍有限的端口数目限制藿。缺少一 令双囱、徐豢、与癸设遣羧豹孛 蔻速戆慧线，瓣铡了羚圈设备( 诸翅睦睡毫砖 调毒l 解调器的适配器、稿攒纹、键盘、p d a ) 瀚搿发。现有静连接袋w 对极少设备 进行优化，对于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的接鞠来满足上述需 要，u s b 就应运而生。它怒快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口， 可以满照p c 机发展的现在和未来的需要。 2 2u s b 瀚发展嚣程 多年来个人计算机的帛口与并口的功能和缩构并没有什么变化。串口的出现 是在1 9 8 0 年前后，数据传输率是11 5 k b p s 2 3 0 k b p s ，串口一般用来连接鼠标和 外置m o d e m ；势日缝数攥健输搴毙事日挟8 倍，标准势露戆数据传埝攀为1 m b p s ， 一觳髑寐连接打印辊、鞫滋仪等。原弱上每一个多 设必须摇在一个接强上，鲡采 所有的接口均被用上了就只能通过添加插卡爿乏追加接口了。串并翻不仅速度有 限，而熙在使用上很不方便。 1 9 9 4 羁i n t e l ，c o m p a q ，d i g i t a l ，i b m ，m i c r o s o f t 、n e c ，n o r t h e r nt e l e c o m 4 第二章u s b 接口电路设计 等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了u s b 论坛，花了近两年的时间形成了 统一的意见，于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b o 9 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 规范，1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b i 1 是目前 推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。1 9 9 9 年初在i n t e l 的开 发者论坛大会上，与会者介绍了u s b 2 0 规范，该规范的支持者除了原有的 c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个 新成员。u s b 2 0 向下兼容u s b i 1 ，数据的传输率将达到1 2 0 m b p s 2 4 0 m b p s ， 还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。2 0 0 0 年正式 发表了2 0 版本的协议。 目前普遍采用的u s b i 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，低速的u s b 带宽( 1 5 m b p s ) 支持低速 设备，例如显示器、调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、 软驱等。全速的u s b 带宽( 1 2 m b p s ) 将支持大范围的多媒体设备。 在u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是主机( h o s t ) ，任何一次u s b 的数据 传输都必须由主机来发起和控制。为了将u s b 应用到嵌入式领域，实现u s b 点到 点的通信，又推出了u s bo t g 。u s bo t g ( o n - t h e - g o ) ，是u s b 应用在便携式移 动设备领域中。作为u s b 2 0 的补充协议，u s bo t g 基本上符合2 0 的协议。但 是所不同的是符合u s bo t g 的设备完全抛开了p c ，既可以作为主机，也可以作 为外设，而与另一个o t g 设备实现点对点( p e a rt op e a r ) 通讯。因此这类o t g 设备也被称为是双角色设备( d u a l r o l ed e v i c e ，简称为d r d ) ，并能够根据接 入设备和数据传输过程中的情况，自动切换为主机或是设备。为了保持兼容性， u s bo t g 设备保留了作为普通u s b2 0 设备的功能，可以作为外设直接连接到p c 的u s b 主机上。 纵观u s b 技术的整个发展过程，从诞生一成为绝大多数p c 外设的标准接口 一提高速度好应用遍及几乎所有的p c 外设领域一出现嵌入式u s b 主机技术和产 品一发布u s bo t g 标准，u s b 正在不断地发展和自我完善。 继u s b 之后，另一种称为f i r e w i r e ( 即i e e e1 3 9 4 ) 的接口技术正在从实验室 步入市场领域，这种新型的接口比u s b 功能更为强大而且性能稳定。 i e e e1 3 9 4 也是一种高效的串行接口标准。i e e e1 3 9 4 可以在一个端口上连 接多达6 3 个设备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。i e e e1 3 9 4 a 标准定义 了两种总线模式，即：b a c k p l a n e 模式和c a b l e 模式。其中b a c k p l a n e 模式支持 1 2 5 、2 5 、5 0 m b p s 的传输速率；c a b l e 模式支持1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 m b p s 的传输速率。 随着u s b 2 0 的推出，速率提高到4 8 0 m b p s ，i e e e l 3 9 4 b 已经推出，把速率提升到 3 2 g b p s 。 第二章u s b 接口电路设计 相比较而言，u s b 适合使用在键盘、扫描仪、硬盘以及打印机等中低速度与 价位的应用上，而i e e e 一1 3 9 4 价格昂贵，适合使用在需要高速的影像或是连接设 备，或者是没有p c 主机的场合。 2 1 3u s b 规范 1 9 9 8 年9 月2 3 日，由m i c r o s o f t 、i n t e l 、n e c 等公司共同发布了u s b i 1 协议规范，规范了u s b 的工业标准。该规范介绍了u s b 的总线特点、协议内容、 事务种类、总线管理、接口编程的设计，以及建立系统、制造外围设备所需的标 准。 设计u s b 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛 的使用。该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生产商 和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必 使用陈旧的接口，害怕失去兼容性。 i j s b 规范的版本变动，如表1 1 所示。 表1 1u s b 规范的版本 版本 发表日期 说明 o 71 9 9 4 年1 1 月1 1 日 覆盖0 6 e 0 81 9 9 4 年1 2 月3 0 日 修改第3 8 ，i 0 ，1 1 章，新增附录 0 91 9 9 5 年4 月1 3 日 修改所有章节 0 9 91 9 9 5 年8 月2 5 日 修改所有章节 1 o f d r1 9 9 5 年1 1 月1 3 日 修改第1 ，2 ，5 1 l 章 1 o1 9 9 6 年1 月1 5 日 修改第5 1 1 章 1 11 9 9 8 年9 月2 3 日 修改所有章节 2 0 ( d r a f t0 7 9 )1 9 9 9 年1 0 月5 日 修改第5 ，7 ，8 ，9 ，1 l 章来增加高速 2 0 ( d r a f t0 9 )1 9 9 9 年1 2 月2 1 日 修改所召草节米瑁加两速 2 0 2 0 0 0 年4 月2 7 日高速模式的版本 2 1 4u s b 的优点 随着大量的电脑普及以及w i n d o w s2 0 0 0 、x p 的广泛应用，u s b 已经成为p c 机的一个标准接口。最新推出的p c 机都支持u s b ，而且基本都有两个或者更多 的u s b 接口。另一方面使用u s b 的设备也在以惊人的速度发展。u s b 之所以能得 到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点： 1 使用方便 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为u s b 6 第二搴u s b 接叠惫簿设嚣 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，光需用户干预。u s b 设备也不涉及 i r q 冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限 的资源，为用户省去了硬件配嚣的烦恼。u s b 设备能冀正做到“即捅即用”。 2 。遮疫燕获 抉速往能是u s b 技术麴突出特点之一。u s b l 。i 接口豹最嵩传输率叠前可达 1 2 m b s ，比串口快了整魁1 0 0 倍，比并口也快了十多倍，这使得商分辨率、真 彩色的大容量图像和声音的实施传送成为可能。新推出的u s b 2 0 接口速度已达 4 8 0 m s 。表i 2 是u s b 的3 种传输速度及其应用领域比较。 袭i 。2u s b 懿簧竣速发与应建领域 性藏波曩霾牲 低速：键盘、鼠标、游戏机，虚低价，容翳使用，动态连 交互设铸拟环境接或移除，w 接多个外围 10 k s 1 0 0 k s 设备 全速；孵涔、广播、音颞、麦克低铃，客爨使蕉，凌态连 电话，蠢频，影豫匿缀等 飙 接或移狳，讶连接多个并 5 0 0 k s 1 0 m b s围设备，保 难带宽 高速： 影像、储存 低价，容易使用，动态连 影像、储存设备接或移除，w 连接多个外 2 5 m b s 4 0 0 m b s围设备，麓带宽 3 逡接灵活 u s b 接口支持多个不阍设备的串列连接，一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个 u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接 头( h u b ) ，把多个设备遴按在一起，再同p c 机的u s b 口相接。在u s b 方式下， 所有的外设都在枧箱终逢接，不登打开机箱；允许外设热插拔，瓤不必关阕主枫 秀源。u s b 采曩“缓联”方式，即每令u s b 浚舔鼹一个u s b 捶头逡羧裂一令癸设 的u s b 插座上，丽其本身又提供一个u s b 插庶供下一个u s b 外设连接用。通过 这种炎似菊花链式的连接，一个u s b 控制器可趴连接多达1 2 7 个外设，而每个外 设间躐离( 线缆长度) 可达5 米。u s b 还能智能识别u s b 链上外围设铸的接入或拆 卸。 4 狻立供宅 菠淹使用串口、并翻的数据采集设备都鬻娶单独的供电系统，褥u s b 设备则 不常嚣，因为u s b 接口提供了内置电源。u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源， 因此新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本并提高了 性价跳。 ， 第二章u s b 接口电路设计 5 。支持多媒体 u s b 提供了对电话的两路数据支持，u s b 可支持辨步以及等时数据传输，使电 话可与p c 集成，共享语音邮件殿其它特性。u s b 还舆肖高保真音频。由于u s b 音 频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从聪使音频 系统其有燹蹒瓣爨真疫。 6 。u s b 存在静溺惩 尽管在理论上，u s b 可以蜜现商达1 2 7 个设备的串列连接，但是在实际应用 中，也许串联3 到4 个设备就可能导致一些设备必效。而且大多数u s b 产品，只 有一个输入蹦，根本无法再连接下一个u s b 设备。妫外，尽管u s b 本身w 以提供 5 0 0 m a 静电滚，毽一垦碰到离魄耗朗设备，就会导致供电不足。解决这熬阀题嚣 办法是使震u s b h u b ，餐h u b 戆徐疆嚣素茬还太责了患。 2 2u 8 b 体系结构概述 u s b 是一葶申电缆总线，支持焱_ 羔枧和吾式各样靛帮插靼翔豹外设之瀚避行数 撵簧输。壅圭壤羧定浆标准匏捺议使蚤穗设备分事u s b 豢宽，当荬宅设备瑟主辊 在运行时，总线允许添加、设灏、使用以及拆除外设。 在设计u s b 外围设备之前，i 簸该首先确定连接此u s b 设备的p c 可以便用u s b 口。p c 硬件臌、须有u s b 主机控制器，以及一个包禽肖一个或多个u s b 端翻的集 线器。p c 枫的软件则是支持u s b 的操作系统，即操份系统必须是w i n d o w s9 8 或 是疆嚣熬敝零。 在本数据采集系统工作时，p c 机上有一个u s b 童控制器，数据采黛系统上 选用p d i u s b d l 2 芯片作为u s b 从控制器，二者相互协调完成u s b 通信。其中处于 核心地位的戆主机，u s b 的数据传输完全在主机控制下完成。 2 。2 。 p g 嫒在零系统审熬场镜 p c 机管璃着信道，它知道在信道上的是哪一个设备，以及此信道的功能。在 一个信道上可能有多个设备，冀机必须让每一个设备都可以正确的传邀岛接受数 据。 每一个逡接到主机上的设舔，都必绫有一个设螯鞭动程序( d e v i c ed r jv e t ) 。 设备驱动纛黪是一争软箨，它谈艨臻程彦与设备缓我游逶。毒些癸蠢设备霹苏使 用w i n d o w s 提供的驱动程序，有些则是必须有厂商提供。设备驱动襁潜与u s b 主机控制器以及集线器之间，则是由系统层级的软件米管理。应用程序不必知道 u s b 通信的细节，它们只要使用操作系统提供的函数就可以传送接受数据。主机 s 第= 章u s b 接口电路设计 耩完成豹u s b 耨关工作囊要骞； 1 ，掇供电源 v b u s d + d g n d v b u s d 十 d g n d 囤2 1u s b 的电缆 u s b 电缆( 弼圈2 1 所示) 包含两条傣号线，条+ 5 v 线戳及条按遗线。 有数外围备，可以完全由u s b 电缆来提供。当设备接到主机上时，主机会提 供它们电源，并且做省毫的管璞。燕视提供瀚逛源，最大可璐掰达5 0 0 m a 。 2 检测设备 当主祝开梳辩，它会梭溯到掰裔连接浆u s b 设备。主褫会臻定个魂蟪，然 后从每一个设备上读取额外的傣息。由这种过程，主机能够知道哪个设备现在 有连接，群一个设备瑗在露经移涂。 3 数据管纛 主椒管理骜售邀上豹数据流，在弱一翼誊润霹能骞多个癸设备溺孵转输数据。 蠹笔辩圭梳控稍器会将聪阀分段，每一段豹霹阉嗣骰个桢( f r a m e ) 或镞秧 ( m i c r o f r a m e ) ，然瑟将一个犊或擞蝼，分配绘每一个发夔豹转输。 鸯对佞，设釜豹驱动程滓会整求圭桃奁寇速率下传送与耧受数据。箕它灌 况下，剡是只鸯在应用程黪或其它软终缀姥要求融，圭执才会与终耀设备遁售。 热榘发生潮题，没罄熬驱动程黪会将翊题擐告绘盛翔稔疼。 2 。2 2u s b 从控剃器购功栽 u s b 从控制耩外围设备的工作与主梳类似，当主机邋知u s b 扶控制器外围设 备通信时，u s b 从控制器外围设备必须响应。设备不能自己开始u s b 通信，它必 须等待主税发出的通知。不过裔一种情况例外，就是设备移除苏醒( w a k e u p ) 特 性时。 在设备上的u s b 控涮糕，自动缝理许多通信。而所支持的通信，赁税u s b 狡 制器的芯片而窳a 下列是u s b 从控制器外围设酱皮该执行的工作： 餐臻电漾 设备可能缎由信遒获褥电源，也可能裔自己的电源。警设备健角信道来的电 源辩，在繁j 妻无佟蠲豹辩谈盛须遴入低耗惫静替箨获悉。在暂停鬻海，设备 仍然需要辩对漩褫蓍倍道。当信道有作甭辩，它就会离开鬻停状态。 9 第二章u s b 接口电路设计 2 检测通信 每一个设备都会检测该设各地址上所发生的信道通信。如果该地址不符合设 备所储存的地址，设备就会忽落该通信。当地址符合时，设备将数据储存在设备 的接受缓冲区内，并且产生中断信号，来告知数据已经抵达。 这种功能是烧录在芯片上，并且自动完成。在芯片检测到包含其地址的通信 前，设备的程序代码不必采取任何的行动。 3 错误检查 设备与主机一样，会在数据上加入错误检查位。设备在接受到包含错误检查 位的数据时，它会做错误检查的计算，然后通知主机是否重新发送。这种功能是 烧录在硬件上，不需要使用程序来设计。设备也会检测主机送来的确认信号，表 示主机已经接收到数据。 4 响应要求 在开机时设备会对主机的检测设备( e n u m e r a t i o n ) 过程做出响应，让主机 知道它的存在。除了检测设备的要求外，逐级也会送出标准的请求，例如询问设 备的功能与状态。在u s 8 1 1 规范中共定义了1 1 种的标准请求，即g e ts t a t u s ( 0 0 h ) 、c l e a rf e a t u r e ( 0 1 h ) 、s e tf e a t u r e ( 0 3 h ) 、s e t a d d r e s s ( 0 5 h ) 、g e td e s c f i p t o r ( 0 6 h ) 、s e t d e s c r i p t o r ( 0 7 h ) 、g e t c o n f i g u r a t i o n ( 0 8 h ) 、s e t c o n f i g u r a t i o n ( 0 9 h ) 、 g e ti n t e r f a c e ( 0 b h ) 、s y n c hf r a m e ( 0 c h ) 。 5 与主机交换数据 主机会定时与设备沟通，或是当应用程序有要求的时候。设备的设鼍，主机 的设备驱动程序以及应用程序共同决定要求的种类、发生的频率。 2 2 3u s b 数据传输方式 u s b 的数据传送的方式下，有四种的传输方式：控制( c o n t r 0 1 ) 、同步 ( i s o c h r o n o u s ) 、中断( i n t e r r u p t ) 和大量( b u l k ) 。通常所有的传送方式下的主动 权都在p c 边，也就是h o s t 边。下面是对各种传输方式的介绍： 控制( c o n t r 0 1 ) 方式传送：控制传送是双向传送，数据量通常较小。u s b 系 统软件用来主要进行查询、配置和给u s b 设备发送通用的命令。控制传送方式可 以包括8 、1 6 、3 2 和6 4 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型 地用在主计算机和u s b 外设之间的端点( e n d p o i n t ) 0 之间的传输，但是指定供应 商的控制传输可能用到其它的端点。 同步( i s o c h r o n o u s ) 方式传送：同步传输提供了确定的带宽和间隔时间 ( a t e n c y ) 。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求 恒定的数据传送率的即时应用中。例如执行即时通话的网络电话应用时，使用同 l o 第二章u s b 接口电路设计 步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传送次数。 对于同步传送来说，即时的数据传递比完美的精度和数据的完整性更重要一些。 中断( i n t e r r u p t ) 方式传送：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中 断数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1 到2 5 5 m s 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。键盘、 操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的并且对于h o s t 来说只有 输入的方式。 大量( b u l k ) 传送：主要应用在数据大量传送传送和接受数据上，同时又没有 带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。 这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输，可以等到所有其它类型 的数据的传送完成之后再传送和接收数据。 2 3u s b 接口硬件电路设计 数据经采集、转换后，需要将其传输到p c ，由p c 进行处理。要实现u s b 的 传输，必须要有一块u s b 接口芯片，u s b 接口芯片存储采集到的数据并将其上传 至p c ，同时也接收p c 机u s b 控制器的控制信息。 2 3 1u s b 器件的选择 目前，市场上供应的u s b 控制器主要有两种：带u s b 接口的单片机( m c u ) 或纯粹的u s b 接口芯片。 带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于 u s b 控制的单片机，比如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ， 但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，所以一般不推荐选用。另一 类是增加了u s b 接口的普通单片机，例如i n t e l 公司的8 x 9 3 1 ( 基于8 0 5 1 ) 、8 x 9 3 0 ( 基于高速、增强的8 0 5 1 ) 、c y p r e s s 公司的e z u s b ( 基于8 0 5 1 ) ，选择这类u s b 控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但 对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。一般来说，后者的价格是前 者价格的l o 倍。 纯粹的u s b 接口芯片按传输速度的高低可分为：低速( 1 5 m b p s ) 和全速 ( 1 2 m b p s ) 。低速( 1 5 m b p s ) 可选u s b l 1 接口芯片，例如p h i l i p s 公司的p d i u s b d t 2 和c y p r e s s 公司的e z u s b 2 1 0 0 系列；高速( 4 8 0 m b p s ) 可选u s b 2 0 接口芯片， 例如p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 和c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 。此类接口芯片仅处 理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。芯片的主要 第二章u s b 接口电路设计 特点是价格便宜、接