（电路与系统专业论文）基于USB接口的远程数据采集系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕 士 论 文 a bs tr ac t a 1 0 n g withth e a p p li ca ti on of玩 腼 etwid ely inlnan y fiel ds， the e x t e n t ofreso u rc e - s h ar 初 9 1 5 山 c n 戈 巧 i n gl y b oos ti n gu p . 即d the n e two rkcon trol s ys t e mh as卜 哭 nb einga popular吻d en cy脚duall y . t 七 i s th 巍s c o 叮 山 in esth e adv an c e d 脚rforman eeofu ni v e r ， d s erial b u swith hi gh一 s peed 比 切 sn ti ss i o n ， h o t pl u gln ， pl u gandpl ay ， takes r el d 巧 。 9 钊 m rr la b lec 冶 tea rr a y an dhi gh一 s peed a 了 dco nvetsi on chip ， 叨d d esign s a kindof hi gh 一s pe edda ta acq正 51 onan d 八 沈 n o te moni to n n gsys tem r r s ti y ， b y w ayofin tr odu c in g th e di sa d y 皿. g e s o f con v en ti o n alda ta舰 q 山 s i ti onand 匕 切 5 而ssion， 而s p 叩 er砚 沈 日 陀 七 n s ad o p t in g the data匕 川 5 而s sion ofu n i v er sa 】 s erialb us t ec ha 0 1 o gy ， 阳 d n l a k ofu u u seofthe adv anta g esof即g aw i thfr e e p r o gj 卫 m mab l e an d hi gh一 s pe edp r oc es s . t 七 e e 山 m w are ofu s bi n t er fa cec hi p and s c b ed u li ng con trol ofw h o 】 e 山 扭般 月 ui si tionsy s te m眼 d es i gned by v h s ic h ardw are d 。 沈 们 ption l j l gua g e ， th e top 一 down and m odu 址 m e th ods are u s ed d u ri n gthe d es i gn. t h e坛 盯 d w are con 的1 ( 止 c ul t has b een 代 洛 l i z edb y d o 场 叨 l o a d i n g allp ro g ra it 比 toth e f p g a . s econ diy ， the d e v i c e driv eri s 。 即 t 曰b y w i l l d 时 v erw h i chi s a kind ofdriv erde v e l o p m e n t too ls ， a t l ast， th e ap p li ca t i on 伊 。 9 1 团w h i 比isc o n 1 p l l ed w ith vi su alc + + isu s e d ino rd ertoo pe nusbd evl c e ， 代 川 山扭 ， di spose da taand di sp l ay da ta then， 兹 区 七 n g fu llu se ofth e p ri n 幼 p l e o f s o c k et n e twor k p r o g 盆 innl i n g w hi chi s b as edon t c p 月 pp 功 t 。 。 1 ， th e in t e 比 解 e o f c l i en以 s erver m o d e l i sc t e a l e 成胡d而sint er 拍 ce cantr a n 娜 t th ea c q u i si ti on d a la to l o ng di s 团 c e suc 。 改 洛 加 u y. htnis p a pe r ， a n 翻 n o tedata解 q u i s i ti ons ys t e mi s com p 1 e t edb a se d onu s b in t er fa c e . w h enusin g 而s sy s te id. u 娜 u si n g th e c li en t c o n 1 p u 城 can se n d c o m o ad d tothe con tt 习 1 s y s t e mw hi c h isl o c a t 曰o n s e n 口erc o m p u ter u se d toc o n tl o ll s pot b y th e w ayo f n e two 比 ， 50 让 坦 t th e ru n . 口 g s ta tu s of耳 幻 t ， s c o n tr o l s y s t 。 刀can be呐us ted in往 m e ， 阳d th e aj 扣 s of con troll in glong 浦5 . 口 ee 山ta co ll e c t i on， 皿p r o v in gth er es o u n 笼u sa g e山 既 and red峥 g a p p li ca 石 0 o cost can become 加e. k e yw or ds: u ul vers alseri alb us， d ata acqul s iti 呱 f im l w are ， d e vi c e 面ver ， 5 x : k e t 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。 与我一同 工作的同 事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 杏庆筑 俨产了 月 ” 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的 部分或全部内容， 可以向有关部门或 机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内 容。 对于保密 论文， 按保密的有关规定和程 序处理。 研 究 生 签 名 : 专疾筑 ” 叮 年 了 月 夕 日 硕 士 论 文 基于 us b接口的远 程数据采集系统的研究与设计 1 绪论 l l课且的 选魔背 食与 研究盘义 数据采集系统是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁， 是获取信息的重要 途径。 数据采集技术主要指从传感器输出的微弱电信号，经信号调理、模数转换到存 储这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和 计算机技术为基础的现代信息技术的发展，以及测试理论的不断发展， 数据采集技术 的发展也是日新月异。本课题“ 基于u s b 接口的远程数据采集系统的研究与设计”属 于i n te m e t 在远程数据采集与控制方面的一种应用，数据采集是整个系统的关键部分。 目前的数据采集一般采取以 下两种方式: ( 1) 内置式数据采集方式:即将高速、高精度连续采样系统控制和数据通道部 分做成板卡的形式， 插入计算机的扩展槽中， 实现内置式的数据采集功能. 这种方式 需占 用代 的一个代 f i s a 总线扩展槽及相关资源，通过代仍s a 总线的高速数据传输 率实现代与采样系统的大容量数据交换， 如此u 巧a 数据采集卡。 这种方式的缺点是: 受计算机插糟数量、 地址和中断资源的限制，安装不太方便，编程比 较麻烦，且受计 算机内部 高频电 磁脉 冲的干 扰， 影响 数据采 集的 精 度和设备的 稳定 性 ljl lzl l31 间 。 (2)外置式数据采集方式:一般是通过r s 一 232 接口与计算机相连，在一定程度 上克服了内置式数据采集的缺点， 但由于采用的是低速率的r s 一32接口， 其最高数据 传输率 不超 过1 1 5 kb哪 ，同时 传 输的距 离也 不会超 过15 米，因 此 在对 大批量数 据进行 采集时， 采样系统与主机接口速度的瓶颈将导致部分数据丢失， 失去连续采样的意义。 显而易见， 需要采用更好的数据采集方式， 来克服以上方式的不足。 u s b 高速数 据接口的推出，极大的提高了数据传输速率。u s b( u 盯 i v e 吓 日 】 s erialb us 通用串行总 线) 是近年 来应用 在咒领域的 新型 接口 技术，是由 c o m p 明、 in tel、 浦伽so ft 等多家 pc 厂商为解决日益增加的陀外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种 串行 通信标 准15) 。 从1 998 匆 月的 w indo ws98开 始， u s b 外围 设备 开始 陀续出 现，随 着各种类型的us b 产品的陆续推出， usb 通信的优点越来越广泛地被人们所熟知，至 今己为各陀厂家所支持。 本课题采用u s b 接口的外置式数据采集方式， 它使数据采集设备具有稳定、 热插 拔、 传输 速度快、 使用方 便、易 扩展、 独 立供电 等 优点 16 . 基于 u s b 接口 的数 据采集 系统的 硬件设计， 可采取 下述 三种方 案: ( 1 ) 采用 u s b 接口 芯片( 如侣 p 1 5 s l 、 阴11 声公 司的 即川 s b d 1 2 等) 和通 用单片 机 ( 如51系 列单片 机等) 相结 合的 方案 1 111 刀 ， 这样 系统总的 硬 件成本 很低， 但是硬 件 系统的设计和调试比较复杂，软件开发成本比较高。另外，单片机的时钟频率较低， 1绪 论硕 士 论文 将高速的u s b 接口与低速的单片机结合， 体现不出 u s b 的高速特性， 难以适应高速数 据采集系统的要求。 (2) 采 用 u s b 接口 芯片 与高 速数 字信号 处理器( 以乡 园51 9 刚 n 。 以 洲 朋 r ， 简称 d s p )相结合的方案，虽然可以实现u s b 高速的数据传输率， 但速率提高的同时也增 加了系统的成本。 (3) 采 用u s b 接口 芯片与 现 场可编 程门阵 列 ( r el d pro，川 u n a b le 拍 比 a n a y ， 简称fpg a) 相结合的方案， fpg a 具有单片机和d sp无法比拟的优势， 它具有时钟频 率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，组合形式灵活， 可 以 集成 外围 控制和 接口电 路的 特点 8 .另 外， fpga 板开 发周 期短并 且有强 大的 开发 工具支持，从而大大缩短了产品的上市时间， 降低了开发成本。因此，本课题在设计 基于us b 接口的远程数据采集系统时，采用了最后这种方案。 此外，目前大多数数据采集监控系统都为独立系统， 仅仅具有数据的现场采集或 存储的功能，已不能满足工业生产的需求。 随着顶 t 。 币 et向智能化、科学化和规范化的 发展， 可以利用互联网实现远程的数据采集系统， 其优点是: 无需铺设专用的通信介 质， 只需借助现有的互联网基础设施既能将数据信息传送到监控终端: 系统由in l e rn e t 网络支撑，采用t c p/ip协议实现数据传输， 具有传输速率快， 数据容量大， 软件实现 方便的 优点。 b 咖 et 的 远程数 据采 集系统， 实 现了 远程的 数据采 集与监 控， 提高了 企 业的自动化水平与生产设备的维护管理水平，降低了在危险场所进行数据采集的风 险， 实现了 无人 值守， 便 于企业 人力资 源的合 理配 置。 所以“ 基于u s b 接口 的 远程 数 据采集系统的研究与设计”具有重要的意义与应用价值。 i j本课题主 要 研究内 容 本论文在研究u s b 总线技术的基础上， 充分利用当今的网络技术， 提出了一种基 于u s b 接口的远程数据采集系统方案。所研究的主要内 容如下: ( 1) 数据采集系统的硬件电路设计， 包括信号输入时的模拟多路开关， 信号调 理电路， 模数转换器和u s b 接口器件之间电路的连接， 电路连接时对模拟地和数字地 的处 理， 以 及根 据各 个元器 件对电 源电 压的 需求， 提 供匹配 的电 源。 ( 2 )充分了解u s b 协议，在即g a芯片上利用硬件描述语言v h d l ，编写u s b 接 口 芯 片的 固 件代 码。 数据采 集通 道的 软件 设计， 主 要完 成对模 拟多路开 关， 习 d 转换 器和u s b 接口之间数据传输的时序控制。 (3) 上位 机的应 用程 序设计， 主要是 在 u s b 设 备 驱动 程序的支 持下， 从 u s b 接 口读取并处理数据。 (4) 数据 远程传 输系统的 软 件设计， 完成 服务 器端对 采集 数据的网 络 传输， 客 户机成功接受数据并绘制波形曲线的功能。 硕士论文 基于 u s b接 口 的远程数据采 集系统的研究与设计 ( 5 )安全问题的解决，服务器端内部局域网的设计必须注意不能使控制计算 机的ip地址和端口不通过服务器验证而被直接访问，这样会干扰正常的系统运行。 (6) 整个系统软件和硬件结合的调试口 i j本系统的 特点 木课题研究基于u s b 接口的远程数据采集系统，其特点可概述如下: ( 1) 数据采集系统中利用新型器件即c a ， 高速高精度的a 江 ) 转换器， 设计了具 有u s b 接口 的 外置 式 数据采 集卡， 不仅 缩小了电 路的 体积， 提高了 系统的 采样 精度、 采样速率和稳定性，而且节约了成本。 (2) 在系统设计中采用即c a作为a 刃转换器、 u s b 接口芯片的微控制器， 在ise ( in 比 9 旧 同s o n 从 团 佬 助vi o n ” e n l ) 操作 平台 上使 用v l d l( 垅。 r 拓ghs 户 沈 d ln t e 脚t e d c 州 it h 出 月 ， 拙 d escn ption助o guage ) 语言 分模 块编写 f p g a 对 整个外围芯 片的控制 程序.模块化的编程方法使代码具有良好的可移植性，并且方便系统升级. (3)在网络应用中使用的是客户/ 服务器 ( c li en灯 s erver，简称c / 5 )模式，基于 t c p/p t 门 n snn ssionc on的i pro t oc0 1 瓜te 印e t pro l ocol)协议分别编写一个客户端程 序和一个服务器端程序。 客户端是通信的请求方，主动与服务器端建立连接; 服务器 端是通信的响应方， 主要是监听和接受客户端的连接请求，并对请求进行回复。客户 端程序和服务器端程序可以 运行在不同的操作系统上，增加了系统使用的灵活性。 (4) 系统的应用程序是以巧s ual c 干 斗 为开发平台， 编写用户操作界面， 实现数据 的处理、显示、网络传输以及波形曲线绘制的功能。 (5)可以利用互联网对所采集的数据进行远程传输和监控。 系统框图如图1 3.1 所示。 日1 3.1系统框圈 由1 .3.1 系统框图可知系统的硬件部分主要为高速月d 转换器和u s b 接口芯片，主 要功能是对输入的模拟信号进行采样量化编码，将编码后的数据传输到u s b 接口芯 片，并通 过u s b 总 线 发送到 上位 机。 使 用叭 5 枕 ” c +开发上位机的 应用程 序界面，并 对采集到的数据进行处理和显示， 最后采用tc r ip协议实现数据的网络传输， 供远方 的客户端 对采 集到的 数 据进行 浏览 和控制。 1绪 论 硕士论文 1 . 弓本 系统的 技术实砚 本设计的实现主要采用以下技术和工具: ( 1 )描述数字电路系统的v h d l语言 利用 v l d l语言分别编写a 洲 d模数转换租事， f 任 叼先进先出缓存器程序， u s b 设 备固 件程序 及fpg a对 整个数 据采集系 统的时 序控制 程序。 (2)v h d l语言开发平台 本设计所有的讥王 o l语言编程都是在x 几inx的ise63操作平台下完成的， 并由ed a常 用开发 软件伪颐u s l l 6. 1 辅助 编译， 配合 第三方 软件m ede l si m6 . 1 进 行 波形仿真， 判断电 路逻 辑功能的 正确与 否。 利用s ynp li 勿枷8. 1 对 设计进行 综合 优化，再通过翻译、映射、布局布线，生成网表，最终下载到fpg a芯片。 ( 3 )wii 山ri v er windri ver 是一种设备驱动程序开发工具包，本设 钊采用铂n d 6 v er802 辅助开 发u s b设备的驱动程序。 (4)从5 ” alc 十 + 开发环境 本系统的应用程序是在叭suatc +开发环境下编写的。 硕士论文 基于 u s b 接 口 的远程数据采集系统的研究与设计 z u sb 技术简介 乞iu 犯 系统描述 一 个u s b系统 可以 从u s b 互联、 u s b 主机、 u s b设 备 三个方面 加以 描述19 。 主机互联设各 比翼少 l一 同、 单 元 _才 呜逾铸 同 。 sa 逻 ， 设 备 1 才 同 u sb 总 线 接 。 u s 日 主控 制器 阅 卜 卜实际的 信息 流 嘴-争 逻辑的 信息 流 中 心 实 现 领 域 .2. l i usb系统 结构 us b互联是指u sb 设备与usb 主机相连并进行通信的方法。它包括: ( 1) 总线拓扑结构:指u s b主机和u s b设备的连接模型. ( 2 )各层之间的关系:指组成 u s b系统的各个部分在完成一个特定的 us b 任务时，各自之间的分工与合作。 ( 3 )数据流模型:指 u s b总线的数据传输方式. ( 4 )u s b的 “ 分时复用” 。 u s b 主机是 u s b 系统 的核 心， 它分为 u s b 主机 控制 器、 u s b 系统软 件、 客户软 件 三个层次。 u s b 主机控制器是指允许u s b 设备接入主机的硬件和软件。 usb 系统软件 负 责对 u s b 逻辑设 备 进行 配置 通信， 井 管理 客户软 件启 动的数 据传输。 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，一般包括u s b 设备驱动程序和 界面应用程序。 u s b主 机在u sb 系 统中的 功能如 下: (1) 检测u s b 设备的 安 装和拆卸. (2) 给连 接的u s b设 备 供电 。 ( 3 )管理主机和 u s b设备之间的控制流。 ( 4 )管理主机和u s b设备之间的数据流。 z us b 技术简介硕 士 论 文 (5)收 集u s b 设备 的 状态 和动作 信息。 u s b 设备是一种位于u sb电缆末端的硬件， 完成一些终端用户功能， 如打印、 扫 描等。一个u s b 设备可以分为三层，最底层为u s b 总线接口，被用于传送和接收数据 信 号， 完成设 备地 址的 解析。 中间 层为 u s b 逻 辑设备， 用于 操作路由总 线接口 和设备 端点间的数据。 最顶层是串行总线接口提供的功能单元， 负责实现u s b 设备的特定功 能 如传输照片、 打印文档等。 u s b 设备一般分为两种: 即u s b 集线器 ( h ub) 和u s b 功能 部件 ( fun 比 二l 比 v i ce )tlre。 u s b 集线器 可以 提 供更多的 u s b 连接端口。 u s b 功 能部件是一种通过u s b 总线进行数据发送和接收的u s b 设备. 2. l i总 线拓扑结 构 u s b设备和u s b主机通过u s b总线相连， u s b总线的物理连接是分层的星型 拓扑结构。每个网络集线器位于星型的中心，无论是主机到集线器或其功能部件， 还是 集线器到集 线器 或其功 能部 件， 每条线段都 是点 对点连 接川 12j 。 u s b总线的 拓扑结 构如图2- i l i 所 示。 一个u s b总线拓扑结构中只有一台主机 ( 简称hosl ) ，用户可以将设备或下级 h u b与主机上的根集线器 ( r oot h u b) 相连，下级h ub 又可以连接更下一级的设备 和h ub， 从而 构成有 层次 的星 型结 构。u s b 复合设备( c o m peu n d d ev i ce)是 指包 含一个连接到主机方向的集线器端口，和一个或多个不可拆卸的 u s b 设备。在 u s b i .1规范中，一个 u s b拓扑网络最多支持 5个h ub 层 ( 包括根集线器) ，1 27 个外设。 h。 减 只 目 目 . 丁 1 .】 r加 t h u 拍自为 生 加以坛 c 刃 . ， 即四目 口 殆 丫 政 笼 .太l li us b总幼拓扑鳍构 1 1 2u 朋 接口 的电 气特 性 u s b总 线中 的 物理 介质由 一根4 线的电 缆组成， 如图2. 1 2，1 所示。它 包括一 根电 源 线vbu s ， 一根 地线c n d ， 它们 共同 为接 入总 线的u s b设 备供电 。其 余两 硕 士 论 文 基干 u s e 接 口 的远程数据采集系统的研究与设计 根是用于差动信号传输的数据线d + 和压，将数据流信号驱动成为差动信号提高了 信号的抗干扰能力. u 一 】 士二 、 屯 us d 十 压 cnd .2 .i j .l u s b电纽 u s b l l规范支持两种模式的数据传输速度:即全速和低速.在用同一条 u s b 总线传输的情况下， 两种传输模式可以自 动地动态切换。 依据图2 1 一2.2 所示，我们 来分析集线器是如何判别所连接的设备是全速还是低速设备。 圈去 l 幼全泪usb设各电组和电阻 的 连接 首先，d+与 压两条差分数据信号线在连接至 u s b设备端时必须先串接 29 4 4 0的电阻器。连接至 pc 机端的根集线器时，同时接上 1 5kq的下拉电阻并连接 至地线，最后在设备端加一个 1 .5 价 的提升电阻，根据提升电阻是连接至 d 十 信号 线还是d 唁 号线， 来判断所连接的设备是全速还是低速设备。 其原理是:当pc 机 端的根集线器没有设备 连接时， 因为下拉电阻的关系， d + 、 d 一 两条信号线都视为接 地(0v ) 。但是，若有一个设备刚连接上时，提升电阻 1 5 川 与下拉电阻 1 5 u2 就会 形成一个分压器，促使接有上拉电阻的那条信号线 ( d+ 或 d 一 )的电位被提升至电 压v c c 的9 佩左右。 此时当 集线器 测知 到一 条数据信号 线 趋近v 走 时， 而另外一 条 信号线仍维持接地状态时，就可确定有一设备连接上了。 如图2 . 1 2 2所 示，由 于1 .夕 d l 的 提 升电 阻是 连接 在决信号 线与电 源之间的 位 置，所以连接的u s b设各是全速设备:如果 1 ，5 k 0的提升电肠奎 接在d 刁 言 号线与 电源之间的位置，就是低速设备。 2 注 ju s b 偏码方 式 当u s b设备发送包时， 为解决由u s b总线产生的信号延迟， 以及误差等问题， d + 与 d 一 的差分数据就必须采用一种特别的编码方式传送，以确保数据传送的完整 性。 在此， u s b采用了n r z l n o n r e tu 功toz 沁 mh v ert 不归零 翻转 ) 的 编码 方式。 这种编码方式不需要单独的时钟信号与数据一起发送，它用 “ 。 ”代表电平发生跳 z u s b 技术简介 硕士 论文 变，“ 1 ”代表电平无跳变。如图2.1 .3 . 1 所示。 01 0 1 1 01 0 1 0 0 0 1 0 0 原 始 摊丽石几 厂曰一日 几 丁 七 一丁 七 j一 七 瑰1码 忑 聂 副一厂一七丁门丁七丁七一f 困1 1 入i n r z i .妈 n r 2 1编码用其数据流中的跳变，即传输数据 “ 0，来保证接收方和发送方的 同步。如果传输的数据中有 6个连续的 “ 1 ” ，那么发送方会在6个 “ 1 ”后添充一 个 “ 0，以保证在7 个位周期内 至少有一次跳变。这种位填充机制是在数据发送方 强制 执行 的， 数据接 收方 在检 侧到6 个连 续的ul 之后. 会自 动 把第7 位的“ 0 ” 抛弃。 z j u sb 救据流模型 2. 2. iu sb 设 备的 配宜 、接口 和端 点 一个 u s b 设备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接 口，在每个接口中可含有若干个端点，如图 2 21 . 1所示。其中，u s b主机端为每 个接口 提 供了 客 户端驱 动程 序， 接口 通过与 驱动 程序的 交互， 来完 成有 特定意 义的 数据传输。 接口。 善 端 点0 端 点 1 其 它端 点 接口1端点 其 它接 口 配置2接口 其它 配置 .2. i l iu sb 设备、 配t、接口 和.点 端点 实际 上就是 一个 一定大 小的数 据缓 冲区， 是设备 端与主 机进行 数 据传输的 接收点和发送点。一个端点由设备地址、端点号和数据传输方向唯一确定。根据数 据传输方向把端点分为 创 端点和 o u t端点，in 端点用来向主机发送数据，o u t 端点用来 接收主 机发 来的数 据。 根据端点 号 把端点 分为0 号端点和 非0 号 端点， 0 号端点比 较特殊 ，它 在设备 连接、 上电 、收 到总 线复 位命令 后就可以 被 访问， 完成 u s b系 统软 件对u s b逻 辑设备 进行 配置的 工作。 非0 号端 点依 据设备 要实 现的功 硕 士 论 文 基于 u s b 接 口 的远程数据采 集系统的研究与设计 能进行设定，对于低速设备，最多附加 2 个端点，全速设备最多附加 15个端点。 注意用作存放主机与设备间往来数据的非0 号端点只有在设备被正确配置后才可使 用 1 习 。 z j .2 管道 管道是对主机和u s b 设备间通信流的抽象， 一个u s b 管道是驱动程序的一个数据 缓冲区与一个设备端点的连接，如图 2 2 2.1 所示，它表示两者之间存在着逻辑数据 传输。管道与u s b 设备中的端点对应，一个全速设备最多含有1 6 个端点 ( 包乡 舀 0 号端 点) ， 而每个 端点 在( in、 o u t )两 个方向 上均 有编号， 但是0 号 端点的 in、o u-t 两 个传输方向共用一条管道，因此一个全速设备最多有31个活动管道，即15个in，巧 个o u t ， 一个创、0 砚 rr共用。每个设备都会利用0 号端点与主机之间建立一个默认的 缺省 控制 管道 ( 众 血 u lt c on trdi r pe) ， 多 数管 道在u s b 设置完成 后， 才会存 在， 而 缺 省控制管道当设备一启动即存在， 从而为设备的设置、 状况查询和输入控制信息提供 了一个入口。 在u s b 系统中， 一共有两种类型的管道: ( 1) 流 管道( 5 汀 已 咀 pl pe): 顾名 思义， 数据 流从一个流管 道的一 端流入， 从 另一端流出， 通信流总是单向的， 且数据流中的数据不具有u s b 定义的结构。如果客 户软件要和设备完成in、o u t 传输，必须使用两条流管道。 流管道支持同步传输、 块传输和中断传输. (2) 消 息管 道 ( 礴 sa gepi pe) : 和流管 道有 很大程度的不同 。它 传输的数 据 具有u s b 定义的结构， 并且允许数据流在同一个消息管道的两个方向上发生， 缺省控 制管道就是一条消息管道，消息管道只支持控制传输，其它传输都是使用流管道。 圈 乞 工 2 . i u sb 誉道 2 2 )事务处理与信息包 事务 处理 是主 机与u s b设备 间数 据传输的 基 本单 位， 它由一 系列具 有特定 格 u s b 技术简介 硕士论文 式的信息包组成。如图2. 2 3.1 所示，一个u s b传输包括一个或多个事务处理，每 个事务处理又包含一个、两个或者三个信息包。 圈1 2 么i u s b 传轴模型示t口 在 u s b系统中，所有的包都以一个同步字段 (sy n c) 开始，确保发送方和接 收方在传输包的过程中保持同步。根据包标识符 ( p d)字段的不同，包可分为 4 种类型:令牌、数据、握手和专用。在 u s b包中数据字段包含主机与设备之间要 传递的信息，其内容和长度根据p id、传输类型的不同而各不相同，并非所有的包 都有数 据字段。 crc字 段是用 来对包中的 数 据字段 进行 错误 校验， 它依 据包中 数据 字段的存在而存在。 最后包的发送方发出包结尾 ( e o p ) 信号表示一个包发送完毕。 u s b总 线上 数据的 传输都 可归结为 令牌包、数 据包 和握 手包的传 输日 411 ， 5 。 ( 1)令牌包 在 u s b系统中，任何事务处理都是从主机开始的，主机发出令牌包表示一个 事务的开始，它包括了数据传输的方向、数据传输的设备地址、端点号等。 根据p id的不同， 令牌 包主要 分为: 输入令牌包 ( in) :用于u s b设备向主机发送数据. 输出令牌包 ( o t it) :用于主机向u s b设备发送数据。 设置 令牌包 (s e y p ) : 用于主机向u s b设备 发送配 置信息， 使用于控 制 传输。 ( 2 数据包 根据p d的不同 ，u s bi. 1 规范 支持d a 工 气 0 和d ai人 1 两 类数据，在 数据传输 中， d 幻a0 所表示的数据包为1 、 3 、 5等奇数包，d a t a i 所表示的数据包为2 、 4 、 6 等偶数包，两类数据交替出现。 (3) 握 手包 握手包用于报告事务处理的状态，以表明数据成功接收、指定的端点被停止、 不能响 应命令 等情况， 只有支 持流 量控制功 能的 事务才需 要使用 握手包。 根据p m 的不同，握手包主要有三类。 a c k :确认数据包被无错误的接收了。 1 0 硕 士论文基干 u s b接 口 的 远程数据 采集系统的研究与设计 n a k : 表 示u s b设 备暂时 不能 接收或 发 送数据， 但最 终能完 成事务处 理， 且不需主机的干涉。主机永远不会发出n a k包。 s t 人 l l :由设备发出，表示 u s b设备不能发送或接收数据，或 usb设各 不支持某个控制请求，要求软件进行千预使设备从停止状态恢复。 z j 月妞据传物 类型 u s b 定义了4 种 传输 类型: 控制传 输、 批量 传输、 中断 传输和同 步传 输， 来满 足不同 的u s b 设备 对传 输数据 量、 传输速率 和响 应时间的 要求 1 16 。 ( 1 )批量传输 ( b u lk七 卫 n s fe r ) 图2 2 4.1表示了批量传输的事务处理过程，主机发出创 令牌包， u s b设备 接收到该令牌包，若发现其损坏，则不做任何应答;若是有效的 创 令牌包，则向 主机 返回d 八 j a 蕊 数据包、 n a k或s t a l l 握 手包。如果 主机 接收到 有效的d a i a 万 数据包，则向设备返回 a c k握手包;否则，主机丢弃该数据包，不做任何应答， 这时主机将重复in 事务处理，最多3次。 _空用 “ 一断牢攫 、 -一 ， 山- - - 份 一空用 峨 恶 翻主 机二 u s 刀 殴 各 圈工 2 月 . 1批皿事番处理过理 批量 传输适用于 传输大量的、 且对传输时间 和传输速 率均无要求的数据.当 usb总线带宽紧张时， 它会为其它传输类型让出自己的带宽， 因此批量传输只有在 总线空闲时才能发生， 其传输速率和传输时间 得不到保障，但是它采用错误检侧和 重传的方式确保数据传输的正确性。对于打印 机和扫描仪而言，数据无错误的发送 和接收 远比 传 输速率 重要， 因 此其 采用 批量传 输方式。 本设计中， u s b 芯片 采用的 是批量传输。 ( 2 )控制传输 ( c 阅的1 匕 劝5 公 江 ) 主机配置设备、获取设备状态、纠正设备错误等工作，是通过控制传输向设备 发送一系列u s b命令完成的。控制传输必须先有一个 5 曰田p令牌包，然后是可选 的数据包，最后是一个握手包。图2， 2 4.2表示了控制传输的事务处理过程。 z u s b 技术简介硕士论文 空 闲 牌.据手 令数握 盔 田熟 轰主机 .2 .2 月 日 2 控翻传抽事务处理过程 (3) 中断 传输 心 访 t 七 n 泪 pt让 a n s fer) 中断传输适用于小批量、不连续的数据传输，限定于从设备开始的通信，告知 主机设各需要服务。中断传输具有纠错能力，并采用重传的方式确保数据传输的正 确性，其事务处理格式如图1 2 .4.3 所示。 瓮 轮 守 拼鹭熟 、 一-一、- -一一-一- 一一一空用 生 醉 留 1 机二二 u 石 扫 设 备 圈2 .2 月 j 中.传抽事务处 理过程 (4) 同步 传输 ( ， ” h ro n i za t ion腼 s fer) 同步传输适用于传输大量的、速率恒定的、且对服务周期有要求的数据，但它 没有纠错阶段，不能保证传输数据的正确性。同步传输只有令牌包和数据包，没有 握手包，其事务处理格式如图2 么4 .4所示。 空闲 器 岩 产出 错 d at ao 、 - 一 之 - 一- 一洲 卜空闲 圈.界主机 二 二 u s b 设备 .孟 1 东 4 周步传抽事务处理过坦 硕 士 论 文 基 于 u s b 接 口的 远 程 数据 采集系 统的研 究与设计 2 3 u s b设备的位侧过程 2 沃1标准usb 描述符 u s b设备的描述符掌握了关于设各的所有信息，标准 u s b描述符包括设备 (dev i ce ) 描述 符、 配置( c o n 6 gu la t io n ) 描 述符、 接口( in l er 九 ce) 描 述符、 端点 ( end p o i m ) 描 述符 及字符串(stri n g ) 描述 符等， 不同 的 描述符从 不同的 层级 来描 述设备的属性。 每个设备只能有一个设备描述符，它包含了整个设备的信息及设备 所支持的配置号码。 每个设备可以有凡个配置描述符，它包含了设备的电源管理信 息及所支持的接口号码。每个接口描述符又包含了与端点通信所需要的信息，它可 以有0 个或多个端点描述符。 描述符的层次结构体现为一个描述符树， 如图2 . 3.1.1 所示。 .之 j ， 1 .1 摘 速符材状结栩 2 3 2标 准u s b 设各请 求 在 usb规范中， 主机通过控制传输向u s b设备发出一系列请求， u s b设各以 缺省控制管道来响应这些请求，完成设备的配置工作。请求及请求的参数是主机通 过 s e t u f包发向设备的，s e t l i p包内每个域的值由主机负责设置，每个 s e t 飞 ip 包 有8 个字节， 其格 式如 表2. 3. 2 . 1 所示。 所有的u s b设 备必须 对标准 请求产生 响 应，即使当前主机没有给设备分配一个地址或者没有配置设备。 域 长 留字 节 描述 b n 1 r eq此s lty 讲 l请求特征 b r e q 此s t l 请求代码值 表23 么2所示 wv目拙2 根据不同的请求，含义不同 w j 】d e x2 索引或偏移 w比口 邵h 2 传送数据的字节数 表2 3 2 一 中， b mr eques a ” 笼 一个字 节的 位定义 如下: d7 :传输方向，卜主机至设备，卜设备至主机;d6ds :命令类型，0=标准， z u s n 技术简介 硕士 论 文 1 二 类，卜厂商，3 二 保留;d4一do:接收者，伍设备，1 二 接口， 卜端点，3 = 其它， 4 3 1 二 保留。 衰2 压乞 z usb 标准幼求及其 代码值 g e ! s l a 扣5 c k arfea t 匹 ese t民 创也 已sel a d d l e s s 倪t d e s c 们 p 谕 set d e s c 们 p 以 0 万 川 o x l l l 卜0 o x 0 5以 俩以 0 7 s y 邢卜 ra 皿 跳 il 】 1 已 d也笼血 t 功沈 丁 五 k e set c o 的9 世a tion 诀t c o 硕乡 叮 a ti o n 仇 ( 伍 0b 陈 o a伍 的o x 0 8 2 3 3usb总 线枚 举 当一个u s b 设备被挂接到总线上时， u sb 主机通过总线枚举过程识别和管理新加 入的设备。这个过程使得u s b 设各是 “ 热叩插即用”。 在总线枚举中，u s b 设备状态共有6 个，分别是:连接、上电、缺省、地址、配 置 和挂起。 u s b 设 备状态 转换图如图 2 3 3 1 所示 1 16111 刀 ，这 些状态 间的 转换即 可完成 u s b 设备的枚举工作。 ( 1) 设备连接与上电 u s b 设备连接到h ub端口，经历u s b 总线的电源建立时间。设各由连接状态进入 上电状态，此时，由于设备未复位，所以不能对任何u s b 事务处理做出响应。 ( 2) 主机检测到设备 设备连接到总线后，主机通过检测d+或d 一 信号线上的电平变化判断有新的设备 连接，并 获悉 该设各 是全 速还是低 速设备 ， 然后向该 端口 发送一 个复 位信号。 ( 3 )设备缺省状态 u s b设备响应总线端口的复位信号，进行复位操作，复位结束后，u s b设备 进入缺省状态，这时可从u s b总线上获取小于1 0 山 n a的电流，并可使用设备缺省 地址 ( ooh) 对某些u sb 事务处理做出响应。 ( 4 )主机分配地址 当主 机接收 到有设 备对缺省 地址( 即 印响应的时 候， 会发出 s et-a d d ress 的 请求， 为设备设置一个新的地址，此后， 设备就不再使用缺省地址，而是使用新地址来响应 主机发出的事物处理。 (5) 主 机读取 u s b 设 备描 述符 完成地址设 置后， 主机发出 倪t 一 众 岌 1 声 o r 请 求，获 取完整的 设备描 述符，确认 u s b 设备的属性。 ( 6 )配置设备 主机依照 读取的 usb 设备 描述符、 配置 描述 符、 接口 描 述符 及端点 描述符 对其进 行配置， 如果 设备 所需的 u s b 资源得以 满 足， 主 机就发 送 set-c o o fi gu成on 请求给u s b i 4 硕 士 论 文 基 于u s b接口的 远 程致据采集系统的研究与设 计 设备，表示一个u s b 设备被正确枚举了。 ( 7 )设备挂起 为了节省电源， 当 u s b 设备在3 心 内没有检测到总线活动， 将 自 动进入挂起状态。 在枚举的过程中，设备不一定要求进入挂起状态。 完成以 上的几个步骤后，u s b 设备即可使用。 日z j .3. iu 8 b 设各状态转 换圈 2 月本章小 结 本章主要描述了usbi. 1 协议的内容， 对u s b 体系结构及数据在u s b 系统中传送的 格式作了 简单 的 概述， 并 针对本系 统所用 到的 u s b 相关协 议的内 容 作了介绍， 最后 详 细分析了usb 设备上电检测并完成枚举的过程。 3系统总 体 方案 硕 士论 文 3 系统总体 方案 本系统具有远程数据采集与监控的功能，主要包括数据采集电路、pc 机数据 的实时显示、 数据的网络传输、客户端数据的显示和披形绘制四部分。数据采集电 路的设 计采用了u s b接口 芯 片、 f r g a器 件、 高速八 日怕转 换芯片. pc 机数 据的实 时 显示、 数据的网 络传 输和客 户端数 据的显 示以 及波 形曲 线 绘制 均在听 su al c 什环 境下开发。数据的网络传输利用 兀 r 罗 协议来实现，供客户端进行浏览监控。系 统的整体框图如图3 . 1 所示。 困3.1 蕊统盛体棍图 3. 1系 统硬件设 计 系统硬件部分主要是基于 us b接口的高速数据采集卡的设计，此采集卡的功 能包括使用a 刃 转换器对输入的模拟信号进行采样量化， 以及将采样数据通过u s b 总线传送给上位机。 国3. l i系统砚件电路相圈 根据硬 件系统 的功能， 系 统硬件模 块采用“ 信号调 理电 路 十 高速的刀 d转换 器 +可编程逻辑器件+u s b接口芯片.的模式进行设计， 如图3 一1 所示。 可编程逻辑 器 件凡 心a 作为整 个硬件系 统的微 处理器， 控制外围电