（计算机应用技术专业论文）基于usb接口的数据采集系统的设计.pdf

摘要 摘要 本课题主要针对u s b 接口的远程数据采集系统的设计。采用u s b r s 4 8 5 接口 弥补了单独采用u s b 总线或单独采用r s 4 8 5 、r s 2 3 2 总线的数据采集系统的缺点， 实现了高速、低成本、远距离、易扩展、可即插即拔的数据传输。 该系统主要包含两个部分：r s 4 8 5 一u s b 接口和远端数据采集单元。其中 r s 4 8 5 一u s b 转换接口部分对u s b 这种迅速发展的高速外设总线的各版本协议和体 系结构做了深入研究，选用了一款性价比相对较高的基于u s b 2 0 版本协议的 p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片i s p l 5 8 1 ，采用m c u 十u s b 控制器的方案，进行了硬件 电路设计、固件编程，在采用h i d 驱动的基础上，进行了上位机应用软件的编程 及调试，实现了u s b 的传输标准；另外对远端数据采集单元的方案进行了分析和 叙述，该方案利用高速a d 转换将模拟量转换成数字量，送入f l f o 缓存器，提高 数据采集速度，同时，利用定时器8 2 5 4 提供同步触发脉冲，一方面作为a d 的触 发信号，另一方面送计数器c d 4 0 4 0 ，为f i f 0 缓存器提供右侧地址，使a d 转换 和数据写入达到同步。在该方案的基础上，进行了硬件设计和软件编程。 本课题通过上下位机数据传送实验验证了数据传输的正确性和可靠性。随着 u s b 技术的成熟，我们将来可以从固件、主机和u s b 协议三方面入手，进一步提 高数据的传输速率。u s b 补充协议o t g 协议还支持点对点的传输，使该系统发展 前景更为广阔。 关键词：u s b r s 4 8 5 接口；数据采集；i s p l 5 8 1 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee s s a ya i m sa td e s i g n i n gt h el o n g d i s t a n c ed a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mo fu s b i m e r f a c e a d o p t i n g u s b - r s 4 8 5i n t e r f a c ec o u l dm a k eu pt h e d i s a d v a n t a g e o f d a t a _ a c q u i s i t i o n s y s t e m sw h i c ha d o p ts i n g l eu s b b u so rt h er s 4 8 5b u so rr s 2 3 2b u s i nm i sw a y ，t h ef o l l o w i n gw i l lb ea c m e v e di nd a t at r a n s f e r ：h i 曲s p e e d 、l o wc o s t 、l o n g d i s t a n c e a n dt o i l l e s se x p a n d 如i l i t y t h es y s t e mm a i n l yc o n t a i n st w ob a s i cs e g m e n t s ：r s 4 8 5 一u s bi n t e r f a c ea n d d a t a _ a c q u i s i t i o n u n i t a n da l lv e r s i o n so fp r o t o c o la n dc o n s t r u c t s y s t e m s o f r s 4 8 5 一u s b ，g r o w i n gq u i c k l y ，a r er e s e a r c h e dd e e p l yi nt h i se s s a ya v e r 2 ou s b c o n t r 0 1c h i p ( i s p l 5 8 1 ) f o mp h l i p sw i t hh i g hp e r f 、o m l a n c e p r i c er a t i oi ss e l e c t e dt o d e s i g nh a r d w a r ea 1 1 ds o f t w a r ea 1 1 dd e b u g u s i n gm c u + u s bs c h e m ew ec a l lf u l f i l l t 1 1 eh a r e w a r ec i r c u i td e s i g na n dn n n w a r ep r o g r a m m i n g b ya d o p t i n gh i dd r i v e r ，w e c o u l df i n i s h 廿1 ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go ft h ei n t e m e ta p p l i c a t i o n so fh o s tp cs o a 1 1h a r d w a r e 孤ds o r w a r e 讲1 1m e e tm er e q u i r e m e n t so fu s bt r a n s m i ts t a n d a r d t h e e s s a ya n a i y z e sa n de x p a t i a t e st h es c h e m eo fl o n g d i s t a n c ed a t a a c q u i s i t i o nu n i t sw h i c h u s e st h eh 培h s p e e d a dc o n v e r s i o nt ot r a n s m “s i m u l a t o ri n t on u m e r i cq u a n t u m ( 数字 量) t h e nd e l i v e r si tt of i f 0d a t ab u 髓r a tt h es a m et i m e ，u s i n gt i m e r8 2 5 4 ，“c a n p r o v i d es y n c h r o n o u st r i g g e rp u l s e 0 n 恤eo n eh a n d ，i ti su s e dt ob et h et r i g g e rs i g a lo f a d o nt h eo l e rh a n d ，i td e l i v e r st 1 1 ec o u n t e rc d 4 0 4 0i no r d e rt op r o v i d et l l er i g h t a d d r e s sf b rf i f ot os y n c h r o n i z et h e a dc o n v e r s i o na n dd a t a sr e a d - i n b a s e do nt h e s c h e m et h ee s s a ye x p l a i n st h eh a r d w a r ed e s i g na 1 1 ds o n w a r ep r o 毋n t h m u g ht h ee x p e r i m e n t so nt h eh o s tp ca n dm c u d a t at r a n s f e r ，t h et r a n s m i s s i o n r a t ea i l dv a l i d i t ya r ev e r i 丘e d a st h ed e v e l o p m e n to fu s bt e c h n o l o g y ，w ew i l ld e a l w i t ht h ef b l i o w i n gt 王1 r e ea s p e c t s ：f i r m w a r e ，m a i n f h m ea n du s bp r o t o c o lt oi n c r e a s e d a t at r a n s m i s s i o nr a t e a l s ou s bc o m p l e m e n t a r yp r o t o c o la n do t gp r o t o c o lb o m s u s t a j np o i n t - t o p o i n tt r a l l s m i s s i o nw h i c hc a u s e st h ew i d e rf u t u r eo ft h ec o m p u t e r s v s t e m k e y w o r d s ：u s b r s 4 8 5i m e r f a c e ；d a t a a c q u i s i t i o n ；i s p l 5 8 1 i i 独创性声明 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，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 为获得塞邀翌王太堂或其他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所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：建趋疆日期：遂年兰月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽堡王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属于窒徽理至太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嘞喷 锄张辎听 签字日期：凶年钥，- 日 签字日期：娜萨彳月d 日 引言 引言 在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用p c 或工控机对各种数据进 行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频 率等。现在常用的采集方式是采用数据采集卡，或采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 的总线式数 据采集系统。 目前的各种数据采集方式都存在着不足之处，特别是对于远程数据采集系统 而言。r s 2 3 2 总线传输速度较慢，而且距离较短，不适合于远程数据传输；r s 4 8 5 总线传送距离较远，但不支持即插即拔，虽然传输速度相对较快，要将数据送入 上位机还需要转成r s 2 3 2 ，送入上位机，故速度较慢。 理想的远程数据采集系统是一种采集速度及传输速度较快，传输距离较远， 与上位机的数据交换速度较快且易于扩展的系统。在现有的条件下，用r s 4 8 5 总 线传输可以使传输距离最远达到1 2 0 0 i i 】( 速度1 0 0 k b s ) ，最大速率达到1 0 m b s ， 因此r s 4 8 5 总线可解决传输距离与传输速度的问题。在与上位机进行数据交换速 度是目前需要解决的主要难题。 通用串行总线u s b 是一种f 在迅速发展的高速外设总线。它具有较高的数据 传送速率( u s b 2 o 支持最高速率达4 8 0 m b p s ) ；在发送数据时支持数据侦错和纠 错功能，增强了数据传输的可靠性；支持即插即用，实现智能化接口，支持热插 拔，易于使用。但u s b 总线存在着传输距离较短的缺点，最远距离不超过5 米。 根据r s 4 8 5 总线和u s b 总线的特点，将两者结合在一起，取各自的长处，优势互 补，便可实现一种基于u s b 接口的、远距离、高速度、易扩展，支持即插即拔的 数据采集系统。 目前基于u s b 接口的产品较多，其中包括数据采集系统也陆续出现，但对于 远程的数据采集系统还不多见。本课题所要做的工作就是设计一种基于u s b 接口 的远程数据采集系统，使该系统具备远距离、高速度、即插即拔等优点。 本课题从实现上来讲主要分为二部分：一是通信接口；二是远端数据采集单 元。通信接口主要是指u s b r s 4 8 5 的转换接口，这其中要完成硬件电路的设计， 固件编程、驱动程序及w i n 3 2 应用软件的设计。u s b 总线从发展至今，已是一种 很成熟的总线协议，目前的最高版本为2 o ，最高速度为4 8 0 m b s ，本课题所设计 的数据采集系统就是基于这一协议。远端数据采集单元是由单片机构成的一个集 数据采集与通讯为一体的分站，主要完成数据的快速采集与处理，然后进行上传， 安徽理工大学硕士学位论文 因此，为了提高数据的采集与传送速度，远端数据采集单元采用了单片机+ 高速 a d 转换器+ f i f o 缓存器的结构。 该课题的主要目的是实现距离与速度并举、即插即拔的数据采集系统。随着 u s b 协议的不断成熟，其补充协议o t g 协议还支持点对点的传输，该系统的发展 有着更广阔的前景。 1 绪论 1 绪论 1 1 课题意义 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求目益提高，远距离和高速度并举 成为数据采集的主要解决问题。现在通用的高速数据采集一般多是p c i 卡或i s a 卡，存在以下缺点：安装麻烦，价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源 限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽， 导致采集的数据失真。特别在一些移动场所，对于上述采集卡根本无法适应现场 要求，便携性差；同时此类数据采集设备不具备远距离数据传输。 当前，通信技术很大程度上决定了数据采集系统的性能，实现数据传输高速 度、低成本、远距离的需求f 1 渐增强，因此对“连接”解决方案的全面性与兼容 性提出了新的挑战。 目前通信接口种类很多，从通用外围电路到r s2 3 2 、r s 4 2 2 4 8 5 、m o d e m ，以 及现在逐渐得到广泛应用的以太网接口、i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 和u s b 等，满足 着人们不同的需要。 传统的数据采集系统主站通信接口一般采用r s 一2 3 2 r s4 8 5 ，目前这种方案存 在以下问题： ( 1 ) 信号以基带、f s k 调制等方式传输，受带宽、距离等的影响速度较慢。 ( 2 ) 主站与分站用串行口进行数据传输，速度有限，影响实时性。 ( 3 ) 主站与上位机的串行接口不灵活，改装极其不便，没能做到即插即用： 接口的可扩展性差；数据传输速度有限。 现在工业现场有大量采用r s 一4 8 5 传输数据的采集设备。r s 一4 8 5 有其固有的 优点，即它的传输距离可以达到1 2 0 0 米以上，并且可以挂接多个设备。 通用串行总线u s b 是一种正在迅速发展的高速外设总线。它具有较高的数据 传送速率( u s b 2 o 支持最高速率达4 8 0 粕p s ) ；在发送数据时支持数据侦错和纠 错功能，增强了数据传输的可靠性；支持即插即用，实现智能化接口，支持热插 拔，易于使用。 u s b 总线标准可以针对不同的性价比要求提供不同的选择，针对不同的系统和 部件提供不同的功能。其特色主要有以下几点“3 ： ( 1 ) 终端用户的易用性。设备自动识别，自动安装驱动程序和配置，支持 动态接入和动态配置。 安徽理上人学硕士学位论文 ( 2 ) 具有广泛的应用性。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 ) 使用灵活，支持一系列大小的数据包，支持各种数据传输率。 ( 4 ) 具有很高的容错性能。 ( 5 ) 与p c 产业的发展相一致，具有简单而完整的协议。 ( 6 ) 具有较高的性能价格比。 ( 7 ) 成本低廉。 ( 8 ) 易于升级。 u s b 设备的应用目前在国外处于高速发展阶段，在国内的应用已经起步，在 u s b 数据采集、u s b 工业控制等领域已经取得了一定的成果，在现实中得到成功的 应用。虽然目前基于u s b 数据采集的采集设备陆续开始出现，但是传输距离较短， 由于传输距离是限制u s b 在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或h u b ，目 前的u s b 总线的数据采集器传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显 然是太短了。 综上所述，目前数据采集系统存在以下缺点：以r s 4 8 5 总线为代表的数据采 集系统具有传输距离远，但接口不能即插即拔，而且速度有限；而以u s b 接口为 代表的数据采集系统虽然速度快，支持即插即拔，但其传输距离较短。r s 一4 8 5 的 这些缺点恰好能被u s b 所弥补，而u s b 传输距离的限制恰好又是r s 一4 8 5 的优势 所在。如果能将两者结合起来，优势互补，就能够产生一种快速、可靠、低成本 的远距离数据采集系统。 1 2 国内外发展现状嘲 通用串行总线u s b 是1 9 9 5 年康柏、微软、i b m 、d e c 等公司为了解决传统总线 不足而推出的一种新型通信标准。该接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优 点，己逐渐成为现代数据传输的发展趋势，现在的各种计算机外围设备都逐渐采 用u s b 总线进行数据传送。 国内基于u s b 的产品品种很多，从低速的鼠标、键盘到m p 3 、p d a 、数码相机、 高速的数据采集卡等，u s b 技术已经在信息家电网络产业运用成熟。在工业控制领 域，u s b 的应用也得到快速发展，许多实时数据采集系统、图像传输系统、数控系 统、测控仪、多道分析器等都采用了u s b 技术。u s b 以其易用性、兼容性和可扩充 性得到了越来越广泛的应用。u s b 接口数据传输距离不大于5 米，目前主要应用于 计算机周边外部设备。 1 绪论 目前通用串行总线用于将u s b 外围设备连接到主机上，通过p c i 总线与p c 内 部的系统总线连接，实现数据传送。同时u s b 又是一种通信协议，支持主系统与 其外设间的数据传送。u s b 总线目前有三种协议，有u s b l o 、u s b l 1 、u s b 2 o 。 u s b l o 速度较低，u s b l 1 支持两种传输速度，低速1 5 m b p s 和高速1 2 m b p s ，在 u s b 2 0 中其速度提高到4 8 0 m b p s 。 数据采集系统是应用非常广泛的电子设备，国内外许多科研单位和技术公司 都在积极研制。目前低速、低精度的数据采集器技术己经比较成熟，但是高速度、 高精度、远距离的数据采集器的制作还有许多的技术困难。以数据采集行业的佼 佼者n i 公司为例，数据采集系统的各种各样的技术解决方案中，基于计算机的数 据采集器大部分都属于低速采集器，而且大部分是基于p c i 总线的，也有部分p x i ， a t ，i e e e l 3 9 4 和并行方式的。6 0 4 0 e 是基于p x i 和p c i 的，有1 6 位采集采集精度，采 集速率为5 0 0 k s o ，6 0 3 5 e 是基于u s b ，采集精度1 2 位，最大采集速率是1 0 0 k s o ，在 国内，也有不少的大学、科研机关从事数据采集器的研制，有利用d a s 制作的数据 采集系统、有多路数据采集系统等等。然而大部分属于研究性质，成熟的数据采 集器就更寥寥无几了。 而基于u s b 的数据采集系统目前大多采用u s b l 1 的设计，速度受扩展而受到 影响，另外传输距离不够长等这些缺点“1 。 1 3 本文主要工作 基于u s b 的高速数据采集充分利用u s b 总线和r s 4 8 5 的优点，有效解决了传 统数据采集系统的缺陷，能够快速的、高精度的、远距离的进行数据采集，即插 即拔，携带方便。 这种系统的基本思想是：在采集现场，将传感器采集到的模拟量数字化，经 处理后，利用r s 一4 8 5 协议将数据上传。在p c 端有一个双向r s 4 8 5 u s b 的转换 接口，利用这个转接口接收4 8 5 的数据并通过u s b 接口传输至p c 机进行分析处理。 而主机向设备发送数据的过程正好相反：主机向u s b 口发送数据，数据通过4 8 5 u s b 转换电路转换为4 8 5 协议向远端输送。 需要特别说明的是，在4 8 5 u s b 转换接口电路中，4 8 5 接口的功能和通常采 用4 8 5 卡的接口性能( 速率、驱动能力等) 完全一样，也就是说，一个4 8 5 u s b 转换电路就能够完全取代一块4 8 5 卡，成本要低许多，同时具有安装方便、不受 插槽数限制、不用外接电源等优点，为工业和科研数据采集提供了一条方便、廉 价、有效的途径。因此4 8 5 u s b 转换接口以及远端数据采集是本课题研究的主要 安徽理工大学硕士学位论文 内容。 其中u s b r s 4 8 5 接口设计主要分为硬件设计和软件设计两大部分。u s b 的分层 结构如图1 所示，硬件设计部分是指物理设备部分，软件设计部分则包括物理设 备部分微控制器程序和上位机的客户软件( 即上位机的通讯管理软件) 两部分。 上位机物理设备 客户软件陷：功能 功能层 tt lj u s b 系统软一 堆p ； | u s b 逻辑设备 tt u s b 设备层 ll i lu s b 总线接口 u s b 总线接口压 2 u s b 通用串行总线规范及基本原理 2u s b 通用串行总线规范及基本原理 2 1 概述 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种应用在计算机领域的新 型接口技术，其目的是用u s b 来耿代p c 机现有的各种外围接口，使外设的连接具 有单一化、即插即用、热插拔等特点，是计算机外设连接技术的重大变革。 在u s b 产生之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的各种接 口来实现的，如i s a 接口、p c i 接口、p s 2 接口、串行接口、并行接口等。由于 这些接口是非共享式的，只支持单个外设的连接，且体积庞大、规格不一，这些 缺陷促使了u s b 的应用而生。 2 2u s b 系统构成 2 2 1u s b 总线构成 u s b 总线由以下四个主要部分构成： ( 1 ) 主机和设备：u s b 系统中的主要构件； ( 2 ) 物理构成：u s b 元件的连接方法； ( 3 ) 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； ( 4 ) 客户软件与设备功能接口的关系。 主机管理着信道，它知道在信道上的是哪一个设备，以及此设备的功能。主机 上所完成的u s b 相关工作为提供电源、检测设备、错误检查、管理数据、与外围 设备交换数据等。 外围设备的工作与主机类似，当主机通知外围设备要通信时，外围设备必须响 应。外围设备应该执行的工作包括管理电源、检测通信、错误检查、响应要求、 与主机交换数据等。 主机的每一个层次分别对应设备的相应层次( 参见图1 ) ，通过逻辑通道连接 起来，客户软件通过逻辑连接可以直接控制设备的接口模块。这种连接使得软件 控制与接口一一对应起来，用户使用起来可以更加简单、快捷。 2 2 2u s b 数据传输方式。1 u s b 共有四种数据传输方式，分别是控制传输、中断传输、批量传输( 块传 安徽理工大学硕士学位论文 输) 和同步传输。 ( 1 ) 控制传输：主要用于让主机读取设备的信息、设置设备的地址、选择 设置配置及设备把状态返回给主机。控制传输是u s b 规范中，唯一有定义函数的 传输类型。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小量数据通信，但服务时间受限制 的设备。中断传输使用在设备必须定时接受主机或设备注意的场合，是低速设备 唯一传输数据的方式，常常用在键盘、鼠标和游戏杆上。设备并不一定要支持中 断传输。 ( 3 ) 批量传输( 块传输) ：用来传输大量数据而没有周期和传输速率要求的 设备上。批量传输方式并不能保证传输的速率，但可保证传输的可靠性，当出现 错误的时候会要求发送方重发。设备并不一定要支持此种传输方式。 ( 4 )同步传输：以一个恒定的速率进行传输，但是没有错误的检验。当收 到错误的数据时，实时传输是唯一不会自动重新传送的类型，所以必须能够容忍 偶尔发生的错误。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。设备并不一定要支持此种传输方式。 2 3u s b 的硬件结构1 2 。3 1u s b 总线拓扑 u s b 总线拓扑结构如图2 所示。u s b 采用层次星型的总线拓扑结构，这可以防 止在u s b 系统中出现环形连接的情况。 主控制器( 包括根集线器) 是该拓扑结构的起点，u s b 集线器是其中心，每 一层都是集线器和功能设备之间点到点的连接，其层次最多为7 层( 包括根集线 器) 的连接。 在这7 层中，除根集线器外，最多支持5 个集线器的级连，即一个u s b 功能 设备最多可以经过5 个集线器来连接至主机。复合设备被看作是两层，所以它不 能被连接在第7 层。如果采用5 m 长u s b 电缆，则最大的级连长度为3 0 m ，可见u s b 现在还不适合长距离的数据传输。 2 3 2u s b 硬件结构 u s b 的组件包括电路、连接器以及电缆。p c 主机上包含两个组件：一个u s b 主机控制器，以及一个根集线器。这两个组件让操作系统与u s b 设备之间可以彼 2 u s b 通用串行总线规范及基本原理 此通信。u s b 主机控制器将数据转换成在信道传输的格式，并且转换成操作系统 可以了解的格式。除此之外，主机控制器还管理着信道上的通信。 7 图2u s b 总线拓扑结构 f i g 2t o p o l o g i c as t r u c t u r eo fu s b 根集线器上有一个或多个u s b 连接端口，用来连接到u s b 设备( 可能是另一 个集线器或是外围设备) 。根集线器与主机控制器共同作用，来检测设备是否连接 或是移除。 h u b ( 即集线器) 是包含一个或多个连接器的设备，或是内部使用硬件连接到 u s b 设备，来与每一个设备通信。每一个连接器代表一个u s b 通信端口。 每一个设备必须包含电路与程序代码，来了解如何与主机进行通信。 2 3 3u s b 电源 在u s b 系统中，所有的集线器端口都可为和其相连的u s b 设备提供电源，且 每个端口的最大输出电流一般为1 0 0 m a 或5 0 0 m a 。其中，可提供5 0 0 姒电流的u s b 端口被称为高功率集线器端口，而仅能提供1 0 0 m a 电流的u s b 端口被称为低功率 端口。出于安全的考虑，集线器可以对流经其端口的电流进行过流保护，即电流 超过某个值时，集线器会限制该端口的电流，并向主机报告。 安徽理工大学硕士学位论文 u s b 电缆也包含了两根电源线v 。和g n d ，其电压标称值为+ 5 v ，但实际上这 个电压可能会偏高或偏低一些。对于高功率集线器端口，电压范围是4 7 5 v 5 2 5 v ：而对于低功率集线器端口，电压范围是4 4 v 5 2 5 v 。另外，由于电缆和 其它损失，u s b 设备最后得到的电压可能会更低一些。 u s b 设备既可以使用总线提供的电源，也可以使用单独的本地电源( 如电池、 插座等) 。使用总线电源的u s b 设备，必须保证当v 。处于最低电压时其仍能正常 工作，这要求在实际开发时一定要注意u s b 接口芯片的供电电压。 u s b 主机中含有一一个独立的电源管理系统，和u s b 系统软件共同控制诸如挂 起、恢复等u s b 电源事件。u s b 设备也具有一定的电源管理能力，以响应u s b 系 统软件发出的电源操作。当处于挂起状态时，工作在低功率模式下的u s b 设备仅 从总线上获取5 0 0ua 的挂起电流；如果u s b 设备工作于高功率模式下且已使能远 程唤醒功能，其需获取2 5 i i l a 的挂起电流。对于总线供电的u s b 集线器，如果它 在配置后被挂起，则也需从总线上获取2 ，5 n 1 a 的挂起电流，并为每个下行端口分 配5 0 0 ua 电流，剩余的电流量留给集线器本身和其内部功能单元使用；如果它未 经配置便被挂起，则它将作为低功率设备从总线上获取最多5 0 0pa 的挂起电流。 2 3 4u s b 电缆 u s b 的物理连接是指一个集线器下行端口和另一集线器上行端口或u s b 功能 设备之间通过u s b 电缆的连接。u s b 定义了两种类型的连接器：a 系列和b 系列。 a 系列连接器包括a 型插头和a 型插座，它们相互匹配。a 型插座总是作为u s b 主机或集线器的下行端口，所以a 型插头总是指向上行u s b 主机。b 系列连接器 也包括b 型插头和b 型插座，它们相互匹配。b 型插座总是作为u s b 设备或集线 器的上行端口，所以b 型插头总是指向下行u s b 设备或集线器。 典型的u s b 电缆由三部分组成：a 型插头、电缆线和b 型插头。其中，a 型插 头是必须的，且尺寸也应该是标准的，用以连接至主机或集线器的下行端口：电 缆线的b 型插头都是可选的，如u s b 鼠标的电缆就不包含b 型插头，而电子盘的 u s b 电缆只含有a 型插头。另外，供应商还可以自己定义b 型插头的尺寸。 u s b 电缆线内部含有四根导线：v 。g n d 、d + 和d 一。其中，v 。；是+ 5 v 电源 线，g n d 是地线，d + 和d 一是差分数据线对。在u s b 连接器上有四个管脚，分别 对应这四根导线，而且电源管脚比数据管脚长，以保证电源信号先于数据信号到 达u s b 设备。 为了保证数据能在u s b 电缆中无错误地传输，u s b 规范规定全速高速电缆必 2 u s b 通用串行总线规范及基本原理 须具有外层屏蔽和铜漏线，且差分数据线必须双绞。低速电缆因传输速率较低， 不需要以上特殊处理。 关于u s b 电缆的长度，u s b 协议1 1 和2 o 版本都没有明确说明，供应商可 以根据信号的具体环境自行定义。在u s b 协议1 o 版本中规定低速电缆长度不超 过3 m ，全速电缆长度不超过5 m ，可作为方案依据。 2 4u s b 的软件结构吲 在u s b 系统中只允许有一个主机，从开发人员角度看，它可被分为三个不同 的功能模块：客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口。 2 41 软件模块结构 u s b 的软件模块结构如图3 所示，主要包括u s b 类驱动程序、u s b 客户驱动程 序和应用程序三大部分。其中u s b 类驱动程序由系统提供，但u s b 客户驱动程序 和应用程序则需要自行设计开发。u s b 客户驱动程序即主机上的设备驱动程序， 让应用程序与外围设备沟通：如果外围设备不是操作系统支持的标准类型，主机 必须有应用程序软件来存取外围设备( 标准的外围设备类型，如鼠标、键盘等不 需要自己设计应用程序软件) 。 用j 核一l ，一，：? f 。一一一 縻i 鬻i i 鬻i i i 獭瓣诵：篆廖i i 鞋，曩蠹 ；| | | i l 避2 2 0 z j z ! = j 2 = 兰_ ：_ _ _ _ _ _ 监巡! 。! ：j 槲 i 由w i n 9 8 系统提供 口 商墩备丌发崭白彳丁砹汁丌发 图3u s b 软件模块框图 f i g3s o f t w a r em o d u l ef l g u r eo f u s b 安徽理工大学硕士学位论文 2 4 2 客户软件 客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。它一般 由开发人员自行开发。 客户软件不能直接访问u s b 设备，其与功能单元间的通信必须经过u s b 系统 软件和u s b 总线接口模块爿能够实现。它一般包括u s b 设备驱动程序和界面应用 程序两部分。 ( 1 ) u s b 设备驱动程序：u s b 设备驱动程序负责和u s b 系统软件进行接口。 通常，它向u s b 总线驱动程序发出i o 请求包( i r p ) 以启动一次u s b 数据传输， 这次传输可能是向u s b 设备发送数据( 输出，0 u t ) ，也可能是接收u s b 设备中的 数据( 输入，i n ) 。此外，根据数据传输的方向，它还应提供一个或空或满的内存 缓冲区以存储这些数据。u s b 设备驱动程序并不知道u s b 的串行传输机制。 ( 2 ) 界面应用程序： 界面应用程序负责和u s b 设备驱动程序进行接口，以操纵u s b 设备，并向用 户提供可视化的操作。它是最上层的软件，只能看到向u s b 设备发送的原始数据 和从u s b 设备接收的最终数据。 2 4 3u s b 系统软件 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数 据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动程序和非u s b 主机软 件三部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。 ( 1 ) u s b 总线驱动程序( u s b d ) ：在一个u s b 设备使用前，必须对其进行一 些初始化操作，如为其分配所需的主机资源、设置其u s b 参数等，这被称为u s b 设备的配置。在该过程中，u s b 总线驱动程序会检测u s b 设备的特性，并建立与 其通信的管道。另外，u s b 总线驱动程序理解u s b 通信机制，并知道如何和u s b 设备进行数据传输。当u s b d 接收到u s b 设备驱动程序发来的i 0 请求包( i r p s ) 时，会把这些i 0 请求中的数据重新进行组织，使它们具有u s b 特定格式事 务处理。客户软件的一次传输可能需要多个事务处理，其具体个数由传输数据量 的大小、所使用管道的类型等因素决定。 ( 2 ) u s b 主控制器驱动程序( h c d ) ：u s b 主控制器驱动程序的存在，使得客 户软件在进行数据传输时不必知道u s b 主控制器硬件的具体实现细节。h c d 负责 把u s b 总线驱动程序建立的事务处理安排在u s b 总线上，方法是建立一系列的事 2 u s b 通用串行总线规范及基本原理 务处理列表。事务处理列表以帧( 全速传输) 或小帧( 高速传输) 为单位，其中 可以包含一个或多个事务处理，它们可以和一个或多个u s b 设备通信。客户软件 一次传输所建立的多个事务处理可能被安排在一个或多个事务处理列表中，这取 决于事务处理的类型、当前u s b 总线带宽等因素。 ( 3 ) 非u s b 主机软件：非u s b 主机软件是可选的。在一些操作系统中，它 用来加载客户软件，并进行设备配置等操作。 2 5 总线工作过程 2 5 1 u s b 总线上的数据传输类型 不同的u s b 设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据量的大小、传输 速率的高低、需同步传输或突发传输等。 根据这些要求，u s b 提供了四种传输方式，以适应各种设备的需要。这四种 传输方式分别是：控制传输方式，用在主计算机和u s b 外设中端点o 之间，少量、 无传输时间要求、传输有保证：同步传输方式，大量、速率恒定、有周期性；巾 断传输方式，用于定时查询设备是否有中断数据传送，小量或中量、有周期性； 块传输方式，大量、无传输时间和传输速率要求。 2 52u s b 的数据传输模式 u s b 协议能够在启动或是当设备插入系统时对设备进行配置，这就是u s b 设 备为什么可以热插拨的原因。 u s b 设各被分成以下几类：显示器( m o n i t o r s ) 、通讯设备( c 。m 珊u n i c a t i o n d e v i c e s ) 、音频设备( a u d i o ) 、人机输入( h u m a ni n p ul ) 、海量存储( m a s ss t o r a g e ) 。 特定类( c l a s s ) 的设备又可划分成子类( s u b c l a s s ) ，划分子类后的软件就 可以搜索总线并选择所有它可以支持的设备。 每个设备可以有一个或多个配置( c o n f i g u r a t i o n ) ，配置用于定义设备的功 能。如果某个设备有几种不同的功能，则每个功能都需要一个配置。 配置( c o n f i g u r a t i o n ) 是接口( i n t e r f a c e ) 的集合。接口指定设备中的哪 些硬件与u s b 交换数据。每一个与u s b 交换数据的硬件就叫做一个端点 ( e n d p o in t ) 。因此，接口是端点的集合。 塞塑堡! ；叁兰堡主兰堡笙壅 2 ，5 ，3 数据传送过程”1 为了满足主机和吣b 设备间各种类型数据传输的需要，u s b 定义了两种状态 机制：主控制器状态机制和设备状态机制。它们分别用于描述u s b 数据传输时主 控制器和u s b 设备所处的状态，其关系如图4 所示。 它们之间的通信过程如下： ( 】) 主控制器决定其将和u s b 设备的某端点之间进行一个事务处理，并向 主控制器状态机制发出命令( i j cc m d ) 。 ( 2 ) 主控制器状态机制根据该h c c m d 命令的具体情况向下行总线 h s d i ) 发出一个或多个信息包。 ( 3 ) u s b 设备状态机制从总线( h s d 2 ) 上接收到这些信息包后对它们进行 解码，并通过相应的设备端点( 位于“端点数组中) 和功能单元进行通信。 ( 4 ) u s b 设备状态机制向其上行总线( h s u l ) 返回一个信息包，如a c k 握 手包等。 ( 5 ) 主控制器状态机制从总线( h s u 2 ) 上接收到这个信息包后把该事务的 处理结果提供给u s b 主控制器( h cr e s d ) 。 图4 主机和u s b 设备状态机制间的关系 f i g4t h er e l a t j o no f s t a t ea n dm e c h a n i s mb e t w e e nh o s tp ca n du s bd e v i c e 2 u s b 通用串行总线规范及基本原理 2 5 4 传输速率的选择 外围设备与主机之间的真实传输速率，会比信道速率小而且不可预期。此速 率的大小与传输种类与信道是否忙有关。 如果是与时问有关的数据，u s b 支持保证速率与最大延迟的传输类型。一个 全速的传输，可以在1 m s 的帧内移动1 0 2 3 b 。一个高速的传输，可以在一个1 2 5 ps 的小帧内移动3 0 7 2 b 。 中断传输有错误的修正以及最大的延迟，所以无法保证正确的速率。不过在 传输之间的时距，不会超过指定的时问。在低速时，要求的时距可以是1 0 2 5 5 m s 。 在全速时，时距是l 2 5 5 m s 。在高速时，则是1 2 5 m s 4 ，0 9 6 s 。 由于所有设备分享同一个信道，所以无法保证个设备可以使用指定的速率 与延迟时间。如果信道太忙，主机会拒绝尝试传输。而且尽管主机控制器可以保 证可使用的带宽而且己经准备好，不过决定有无数据传输的仍然是设备驱动程序、 应用程序以及设备的固件。 在全速时，最快的传输方式是块传输( b u l kt r a n s f e r ) 。理论上在全速时最 快可以到9 7 2 8 m b s ，在高速时可以到4 2 5 9 8 4 m b s 。尽管低速的信道速度是 1 5 m b s ，单一传输的保证速率是6 4 0 0 b s ”“。 2 55u s b 带宽的分配方案”“” 控制传输的保留带宽在低速全速时为1 0b m s ，高速时为2 0b m s ( 最小值) ； 块传输没有保留带宽；中断传输与同步传输的保留带宽相同，在低速全速时为 9 0b m s ，高速时为8 0b s ( 即使与中断合并) ，此为最大值。 在高速情况下，控制传输时每个传输的数据为1 5 8 7 2b m s ( 3 1 个6 4 字节的 事务小帧) ；块传输时为5 3 2 4 8b m s ( 1 3 个5 1 2 字节的事务小帧) ：中断传输时 为2 4 5 7 6b m s ( 3 个1 0 2 4 字节的事务小帧) ：同步传输时为2 4 5 7 6b m s ( 3 个 1 0 2 4 字节的事务小帧) 。 在全速情况下，控制传输时每个传输的数据为8 3 2b m s ( 1 3 个6 4 字节的事 务帧) ：块传输时为1 2 1 6b m s ( 1 9 个6 4 字节的事务帧) ；中断传输时为6 4b m s ( 1 个6 4 字节的事务帧) ；同步传输时为1 0 2 3b m s ( 1 个1 0 2 3 字节的事务帧) 。 在低速情况下，控制传输时每个传输的数据为2 4b m s ( 3 个8 字节的事务) ； 中断传输时为o 8b m s ( 8 b y t e 1 0 m s ) ；块传输和同步传输是不允许的。 安徽理工大学硕十学位论文 25 6 编解码方式 在传输信号时，u s b 应用了n r z i 编码方式。在n r z i 编码中，“l ”由不出现 电平变化来表示，而“o ”由电平发生变化来表示。图5 给出一个数据流和等同的 n r z i 码流，其中高电平代表数据线上的1 状态，由图示可以看出n r z i 编码过程。 一串“o ”会使得n r z i 数据每比特周期都会出现跳变，而一串连“1 ”则使得数据 中长时间不会出现变化。 011o101o0010o1 数据可厂_ 厂 厂厂厂 扒习