（电路与系统专业论文）激光超声系统中基于USB的信号源设计和光源的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

j e 塞窑蝗厶堂亟堂垃途室生室擅耍 中文摘要 本文是基于“激光超声薄板在线质量监测”项目开展工作的。在激光超声检 测、光纤传感等技术中，提高光源输出功率的稳定性是需要解决的关键技术之一。 本文根据系统对光源的要求，基于半导体激光器的工作特点，设计、调试出功率、 温度稳定电路，以及脉冲调制驱动电路，采用专用集成芯片，设计简单、实用、 成本低，调试方便。 另外，本文从虚拟仪器的概念出发，基于u s b 2 o 提出并设计了激光超声系统 的信号源。给出了基于u s b 2 o 的波形发生器的总体设计思想，对d ，a 数模转换器 的结构和u s b 设备核心控制器e z u s bf x 2 的功能特点进行了详细的分析，深入 剖析了f ) ( 2 通用可编程接口( g p i f ) 和端点f l f o 缓冲区自动传输工作原理，进 而简化了g p i f 与d a 转换模块的硬件接口设计，有利于突破带宽瓶颈，实现u s b 高速数据传输功能。 关键词：半导体激光器；稳定光源；u s b ；超声驱动 分类号： j e 塞窑道叁堂亟堂焦论童垦s 丑i 盟 a b s t r a c t t h ed i s s c n 觚i ss u p p o r t e db ym e 喇e c to fo n l i i l eq l 枷i t yi n s p c c t i o nf b rs h e e t w i ml 栅u l 仃嬲砌c h i l p r o 啊n gs t a b i i i t yo fl 勰盯p o w 盯i s 伽eo f 廿l ek e yt 枷q u e si n l 嬲盯u l 劬s o n i co r 纳e rs e n s o rs y s t 伽1 b 勰e d t 量坼c h 躺c t c r i s t i 锵o f l d 龇dt l l e s o u r c er e q l l e s t so fl 雒e ru l 虹a n i cs y s t 锄，at e m p a a l i l mo 蛐仃o lc i r c u i t r xap o w 盯 c o n t m lc i r c l l i 仃y 柚dap u l d r i v 盯a r cd 韶i 印e d ，p m d l l 删觚da d j u s t 。dw i l l ls p e c i f i c i i l t e 掣a t c d 出ps om a tt h ec i r c u i 仃yi sc h e 印，s i m p l e 趾da d j u s t a b l e ka d d i t i o i l ，al a s 盯u l 仃a s o l l i cs i 弘a lg e n e r a t o ri sd 嚣i 驴e db a s e d u s b 2 oi l l 壕 c o n c 印t i o no fv i n l l a ii 船仇l l n e n t t i l i sd i s s 删i o nb r i n g sf o r w 棚ac o l l e c t i v i t yd 鹤i g n i d 髓f o rt l l ew a v e f b m 窖a a t o r ，a n d 觚a l y s e sm cs 饥l c t u r eo fd i 西t a l t o a n a l o g c o n v e 吡盯a n dt l l ed 怕m c t e r i s t i c so f n l eu s bc o n 仕o l l e rc o r ee z u s bf ) ( 2 b 硒e do nt h e 趾a l y s i so f 地硼n c i p l eo fg p i fa n de n d p o i n tb u 任酗，ad 韶i 印f o rg p i fi n t e 响c ci s b r o u g h tf o n ) l ，a r d ，w t l ic ：hr 耐u c e sc i r c u i t 矗a m c ，b 】j e a | 圆t l l r o u g hb m l d w i d mb o 砌e c k ， i n c 籼a t c ss p c c i a l t yo f u s b 2 oh i 班s p e c d k e y w o i t d s ：l 硒盯d i o d e ；s t e a d yl a s 盯s o u r c c ；u s b ；u l 船i cd r i v e r c l a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师娄淑琴教授的悉心指导下完成的，娄淑琴教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 娄淑琴老师对我的关心和指导。 娄淑琴教授悉心指导完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向娄淑琴老师表示衷心的谢意。 盛新志教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李琳、胡延、尹伟等同学对我论文中的g p 腰 硬件接口设计研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北塞蛮煎太硒堂焦论室庄 序 在工业高度发展的今天，无损检测技术在设备的运行、产品质量的保证、提 高生产率，降低成本等领域正发挥着重要的作用。激光超声检测技术是利用激光 检测超声，以实现无损检测的一种方法。激光超声系统中光源的稳定性是决定检 测准确性的一个关键，激光波长、功率的变化都会对检测结果产生影响，激光超 声检测系统对激光的频率单一性、功率稳定性有较高的要求，因此，稳定光源的 设计对激光超声检测系统乃至工业生产有着重要的现实意义。 u s b 是一种新型的p c 总线标准。目前，各p c 生产厂家生产的p c 都带有u s b 端口，u s b 以其方便的即插即用和热插拔特性，以及廉价、高速、低功耗的特点， 有取代传统的串口、并口等其它总线标准的趋势，被广泛应用在各种p c 外设中。 随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器技术也正在飞速发展，虚拟仪 器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面比传统仪器具有明显 的技术优势。本文从虚拟仪器的概念出发，提出并设计了基于u s b 2 o 的信号源。 本文的主要目的是为激光超声系统研制一个稳定的光源，并设计基于u s b 的 超声信号源。本文的研究工作得到了北京数码晨景信息技术有限公司的大力支持。 在光源研制过程中，从电路原理图的设计、元器件的选择，到p c b 的制作、调试， 都受到了盛老师的悉心指导，在这里一并向他们表示感谢。基于u s b 的信号源设 计是借助上海思越电子公司的u s b 开发套件进行的，利用开发套件附带的开发工 具，大大缩短了开发时间，降低了开发难度。 | e 鏖变煎盔亟堂位论塞绪i 金 1 1 课题背景和意义 l 绪论 在工业生产中，常常需要对样品做无损检测和评价，如对钢材、纸张、复合 材料、工业陶瓷等的无损检测。超声检测技术是用于检测物体表面、亚表面、内 部区域及内部投影，产生高分辨率特征图像的检测技术。由于它能获得反映决定 检测物体机械性能参数的声学图像而被广泛地应用于无损检测领域。超声检测技 术在无损检测领域占有非常重要的地位。激光的出现并应用于超声检测技术中， 给超声检测技术带来了巨大的变化。 激光超声技术的研究始于1 9 6 2 年。w h i t e 和a s h a y 龇等人于1 9 6 3 年最早将 激光引入光声领域，各自提出用脉冲激光激发声波的原理“1 ，从此光声效应得到 很大发展，并形成了一门新的学科分支一激光超声。 激光超声学是超声学与激光技术相结合而形成的新兴交叉学科，涉及光学、 声学、电学、材料学等学科，近年来已发展成为超声学的一个重要分支。 激光超声检测技术主要有传感器检测和光学检测两大类。传感器检测包括压 电陶瓷换能器检测，电磁声换能器检测，电容声换能器检测。这些检测方法可以 十分简便地接受到超声信号，但传感器必须与样品接触，或者非常接近样品表面， 才能获得高的检测灵敏度。 光学检测超声振动又可分为非干涉检测技术和干涉检测技术。非干涉检测技 术是利用超声到达样品表面或沿样品表面传播时，样品表面的形状或反射率的改 变，导致反射光的位置或强度变化来实现。有光偏转技术( 即刀刃法或位置敏感 器技术) ，光反射技术和表面栅衍射技术等。 光干涉检测又可分为线性和非线性光干涉仪像目前广泛使用的外差干涉仪， 共焦f a b 妒p e r o t 干涉仪是线性光干涉仪。而相位共扼干涉仪，双波混合干涉仪， 以及光感生电动势干涉仪则属于非线性干涉仪0 1 。 利用激光干涉检测超声有以下几个优点： ( 1 ) 非接触：超声的检测是通过激光的干涉进行的，因而易于实现远距离的 接收和观察，可以在某些恶劣的环境中完成传统检测手段不能完成的检测任务。 ( 2 ) 抗干扰：激光束的优秀品质使得检测可以不受到任何干扰，或者受到的 干扰很小，具有极强的抗干扰能力。 ( 3 ) 灵敏度高：由于检测激光可以来自同一光源，具有很高的相干性，因而 j e 塞交道太亟堂焦j 金奎缝淦 检测灵敏度大大提高。 ( 4 ) 实时在线：超声的激发和检测都是在瞬闻完成的，能够实现快速实时检 测，是工业上定位、在线监测、快速超声扫描成像的好手段。 ( 5 ) 适用面广：激光超声检测对样品的形状基本没有限制，从而使激光超声 技术有着很广泛的应用领域。 目前，激光超声检测技术已被应用于材料的缺陷探测和定位，内部探伤监测， 设备运行等工程领域中。可以相信，随着科学和工业技术的迅速发展，激光超声 学将在理论、技术和应用研究等各方面取得新的突破，它的应用前景也会更加广 阔。稳定的光源对激光超声系统至关重要，光功率的变化、光频率的非单一都会 对检测结果产生不良影响，因此，稳定光源的研制具有重要的现实意义。 1 2 稳定光源 光源是激光超声系统中重要组成部分。光源在光纤干涉仪中的作用就像电子 电路中的信号源一样，光纤干涉仪对光的相干性要求很高，一般干涉的两束光来 自同一光源，光源的微弱变化会对干涉结果产生影响，所以光源的稳定性对激光 超声检测系统至关重要。光源的稳定是指从光源发出频率单一的激光，即单色光， 且光功率稳定可调。光功率的变化，光频率的漂移及混杂，都会影响光干涉信号 的变化，从而对检测结果产生不可忽略的影响。 半导体激光器是常用的光源，体积小、功耗低、寿命长、可靠性高，o 8 5 岬、 1 3 岬和1 5 5 岬波长的半导体激光器是常采用的单色光源“。半导体激光器的基 本结构由三部分组成，即能高效率产生受激发射的工作物质( 增益介质) 、提供光 学反馈的谐振腔和驱动电源。半导体异质结激光器具有层状结构，其作用类似于 固体激光器的聚光腔。一般的半导体激光器的谐振腔不是由外加反射镜构成，而 是利用半导体本身的晶体解理面形成的内反射腔，这一特点是半导体激光器有别 于其它激光器的优点，即结构很紧凑，避免了外加谐振腔可能产生的机械不稳定 性。半导体激光器的驱动电源也比较简单，需要的电流、电压均很小，因此工作 较方便安全。不过，半导体激光器也很容易受浪涌电流和电压的冲击而损坏”1 。 要使激光器稳定工作，必须对其功率和温度进行控制与补偿，因此，设计激光器 的恒流驱动源和制冷电路是经常选择的稳功率方案。 本文针对半导体激光器的特点，设计了调制驱动电路、恒流驱动电路和温度 控制电路，采用专用集成芯片为激光器提供调制电流，使其产生交流光，扩大了 其应用范围。 2 1 3 虚拟式信号发生器 激光超声系统中另一个重要的组成部分是超声信号源。传统的超声驱动大多 采用振荡器或信号发生器来产生换能器所需的驱动信号，其稳定性不好，控制性 能单一。虚拟仪器技术的发展，使有了新的想法解决这些问题。 1 9 8 6 年，美国n i ( n a l i o n a lh l s 虮啪锄t s ) 公司饰1 首先提出虚拟仪器的概念， 在随后的十几年内，虚拟仪器技术得到迅速发展，已经被广泛应用于工业控制、 数据采集和检测、测量及教育科研等领域，并正朝着高性能、多功能、集成化、 网络化方向迅速发展。虚拟仪器是指基于计算机的数字化测量仪器，由计算机、 仪器硬件、圃件和相应的应用软件组成，是计算机技术与仪器技术相结合的产物”1 。 虚拟式信号发生器也是虚拟仪器的一种，由计算机和发生器硬件设备组成。根据 仪器硬件与计算机连接采用的总线方式，虚拟仪器可以分为：g p i b 总线方式虚拟 仪器、插卡式虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、v x i 总线方式虚拟仪器、p x i 总线方 式虚拟仪器、u s b 方式虚拟仪器硒1 。u s b 总线以其独特的便捷优势已逐渐成为虚 拟仪器发展的一个方向。 1 4 国内外现状及发展趋势 1 4 1 稳定光源的发展现状 1 9 6 2 年，诞生了第一台半导体激光器，脉冲工作在液氮温度下。七十年代初， 美国的贝尔实验室实现了双异质结激光器的室温连续运转。其后，量子阱技术的 出现。使半导体激光器产生新的飞跃，成为当今光电子技术领域中，研究最活跃， 应用最广泛的器件。 半导体激光器属于高科技产品，投资强度大。实力较强的半导体激光器生产 厂家主要集中在日本、美国等几个发达国家，主要有日本的日立、东芝、古河、 富士通，北美的鲁申特技术、诺德尔等。我国在半导体激光器的研制方面起步较 晚，但国家已将其列入重点发展行列予以支持，近几年取得了不少科研成果，现 已可以生产分立式的半导体激光器和半导体激光器组件“。 半导体激光器的封装形式多种多样，归纳起来主要有以下几种：1 4 脚蝶形有 制冷封装、1 4 针双列直插封装、同轴尾纤型封装等。 稳定光源是光电器件、光无源器件、光纤、光缆、光纤通信设备以及光纤通 信系统工程建设和维护的必备工具。国内外很多公司都推出了自己制造的稳定光 源，国外以美国安捷伦公司、美国a v o 公司、日本安腾公司为代表，国内有北京 3 j t 塞变道占鲰堂焦论奎绪j 金 亚中仪器、北京恒光科技发展公司、北京海特光电有限责任公司、珠海华普公司 等，都有很强的研发光源的能力。 稳定光源有台式和便携式两种类型，在稳定度方面，便携式稳定光源不如台 式光源。虽然这些稳定光源功能强大、性能指标稳定，但价格比较昂贵。面对中 低档市场需求，如实验室，很有必要研制价格相对低廉的稳定光源，在保证性能 指标的同时，主要从降低成本方面来考虑。 1 4 2 超声波发生器的发展现状 超声波发生器的驱动信号来自信号发生器，由信号发生器产生的频率信号经 过功率放大后，再经过阻抗匹配，推动换能器将电信号转换为机械振动。为使换 能器达到最佳工作状态，超生波发生器还应有反馈控制环节，主要是提供输出功 率信号和频率跟踪信号的反馈。发生器的发展经历了电子管放大器、晶体管模拟 放大器、晶体管数字( 开关) 放大器三个大的阶段。开关型发生器又经历了双极 开关晶体管、，d m o s 管( 垂直沟道m o s 管) 、i g b t ( 隔离栅双极管) 的发展过 程。随着数字技术的发展，用数字化控制代替模拟控制可以克服模拟控制电路控 制精度低、动态响应慢、温度漂移的缺点。超声波发生器数字化控制技术一般有 三种形式： ( 1 ) 采用单片机控制 单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法得到高精度 和高稳定度的控制特性并可实现灵活多样的控制功能。但是单片机的工作频率与 控制精度是一对矛盾而且处理速度也很难满足高频电路的要求。 ( 2 ) 采用d s p 控制 d s p 可以完成除功率变换以外的所有功能如主电路控制、系统实时监控及保 护系统通信等。虽然d s p 有着许多优点。但是它也存在一些局限性，如采样频率 的选择、p w m 信号频率及其精度、采样延时、运算时问及精度等。这些因素会或 多或少地影响电路的控制性能。 ( 3 ) 采用f p g a 控制 现场可编程门阵列( f p ( 认) 属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要 任意设定具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分： 可编程逻辑块、可编程加模块、可编程内部连线。由于f p g a 的集成度非常大， 一片f p g a 少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门，所以一片f p g a 就 可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于 硬件描述语言( v h d l ) 来对系统进行设计，采用三个层次( 行为描述、r t l 描述、 4 门级描述) 的硬件描述和自上至下( 从系统功能描述开始) 的设计风格。能对三 个层次的描述进行混合仿真从而可以方便地进行数字电路设计。在可靠性、体积、 成本上具有相当优势。但f p g a 设计适合条件操作少、任务比较固定的情况。 虚拟仪器技术的出现为超声波发生器开拓了新的发展空间，虚拟仪器在智能 化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面比传统仪器具有明显的技术优 势。 1 5 本文的主要工作 本文的工作是激光超声检测系统中的一部分，主要是为激光超声检测系统设 计基于u s b 的超声驱动信号源，并研制稳定的光源。 本文第一章介绍课题的背景和意义，论述了光源对激光超声系统的重要性， 虚拟仪器的含义，并讨论了其国内外发展现状，最后给出本文的主要工作内容。 第二章详细介绍u s b 的有关协议，包括u s b 系统的组成、数据的传输、即插 即用的过程。并着重讨论了u s b 2 o 规范与u s b l 1 规范的区别。 第三章介绍基于u s b 信号源的设计，提出了硬件电路模块化的设计思想。在 d ，a 转换模块中，讨论了倒t 型d a 转换器的结构原理。在u s b 接口模块中对其 核心控制器e z u s bf x 2 的功能特性进行了详细的分析。在深入分析f x 2 内部的 通用可编程接口g p i f ( g 蜘盯a 1p r o 笋跗强a b l ei n t e r 丘i c e ) 以及端点f i f 0 缓冲区自 动传输的工作原理的基础上，设计了同步传输的g p 硬件接口 第四章针对半导体激光器的特点，设计半导体激光器的驱动电路，包括调制 驱动电路、直流驱动电路和温度控制电路。设计采用专用集成芯片，内部集成自 动光功率控制，简化了电路结构，降低了设计成本。 5 韭塞銮亟太堂亟堂位论室 型曼壁简金 2u s b 简介 u s b ( u n i v 懿a ls e f i a lb l l s ) 通用串行总线最初是由i n t d 、c 伽叩a q 、i b m 、 m i c r o f t 等公司联合推出的一种新的串行总线接口规范，其目的是为计算机和外 设之间提供一种通用的、灵活的、简单的、易用的连接平台。本章将从u s b 2 o 的 系统组成、数据传输、u s b 2 o 的特殊性等几个方面对u s b 2 o 作一些简单介绍， 为后文的设计提供一些基本概念。 2 1 u s b 系统组成 u s b 系统由u s b 主机( h o s t ) 、u s b 集线器( h u b ) 、u s b 功能设备组成，采 用星形级联的拓扑结构如图2 1 。它们通过四芯的u s b 电缆进行联接，两根数据 线d + 、d ，一根电源线，一根地线。 图2 1 总线拓扑 f i g i l 2 - lb l o 盱 7 主机与设备之间的通信采用分层的体系结构，如图2 - 2 ，从下至上依次为u s b 6 扯哀銮逼厶堂亟堂熊i 金毫卫s 垦篮企 总线接口层、u s b 设备层、功能层。u s b 总线接口层为主机和设备提供物理的链 路连接，实际的物理信号流在该层产生；在u s b 设备层，u s b 系统软件通过缺省 管道( d e f a u l tp 咖) 实现对u s b 逻辑设备的控制和管理。而在功能层，客户软件 通过多个管道与设备端的功能模块的一组接口进行交互，向主机提供附加的功能。 l 。 管道柬 客尸软件 】i k 接口 u s b 功能层 系统软件 iu s b 设备驱动i 卜 端点o u s b 设备层 y i 主控制器驱动程序i 主控制器l u s b 电缆一u s b 设备控制器 u s b 接口层 u s b 主机 2 1 1 u s b 主机 u s b 设备 图2 2 通信模型 f i g l 聆2 2c 彻l n 啪i c a “蚰m o d d u s b 主机是u s b 系统的核心，是u s b 总线的管理者。在任一u s b 系统中， 只能有一台主机。主要功能有：检测u s b 设备的连接与拆除；管理主机与u s b 设 备之间的控制流和数据流；收集设备状态和性能信息；管理u s b 设备的电源。按 照u s b 通信模型，主机可分为u s b 主控制器( h o s tc o n 的l l e f ) 、u s b 系统软件 ( s v 咖ms o f t w a r c ) 、客户软件( c l i e n ts o 胁a ) 三个层次。主控制器通常集成在 主板上或采用插卡的形式安装在计算机内，且内置有根集线器( r 0 0 t h u b ) 以提供 主机端的u s b 接口。它实现了u s b 协议和电气规范之间的转换。u s b 系统软件 内嵌于主机操作系统中，它和u s b 主控制器协同工作，将来至客户软件的数据流 转换成符合u s b 协议的数据流，并负责u s b 资源和设备的管理。它由主控制器驱 动程序( h o s tc o n 打o l l e rd r i v e r ) ，u s b 总线驱动程序( u s bd r i v e r ) 和主机软件组 7 j 塞窑亟厶堂亟堂僮j 金塞 型墨旦筮企 成。主控制器驱动是对主控制器硬件的抽象，它将不同硬件实现的主控制器映射 到u s b 系统中，为u s b 系统软件中的其他组件提供统一的软件接口h c d i ，u s b 驱动以i ，o 请求分组的方式提供数据传输机制，并且负责向客户软件提供u s b 设 备的抽象，以实现设备的配置和状态管理，u s b d 拥有缺省的管道控制权，通过它 可以访问所有的u s b 设备以进行标准的u s b 控制；主机软件由集线器驱动程序和 其他配置软件组成，协助完成设备的配置和管理。 客户软件又称设备驱动程序，是直接同设备打交道的软件实体。多个管道构 成的逻辑信道将它和功能模块连接起来。 2 1 2 u s b 设备 u s b 设备实际上可分为两大类：集线器( h u b ) 和功能设备( f 啪c t i o n ) 。集 线器用于向主机提供额外的u s b 设备接入点，而u s b 功能设备能够从u s b 总线 上接受或发送数据或控制信息，实现特定的功能。通常提到u s b 设备时，一般指 的是u s b 功能设备。u s b 设备按照自身所支持的总线速率还可分为低速设备 ( 1 5 m b p s ) 、全速设备( 1 2 m b p s ) 和商速设备( 4 8 0 m b p s ) 。u s b 设备至少应支持 一个以上的端点( e n d p o i n t ) 。端点是设备的逻辑连接点，设备通过端点与主机通 信。端点在硬件上表现为一定深度的缓冲区，每个端点都对应有一个端点号 ( e n d p o i n t n u m b e r ) ，它的属性如传输方向、传输类型、最大分组尺寸等是由端点 描述符来描述的。其中，端点o 是必需的，它支持控制传输，以提供缺省的消息 管道( m e 黜a g e p i p e ) 传输控制信息；其他类型的端点提供流管道( s 仃e a lp i p e ) ， 以传输数据。若干个相关的端点构成一个接口( i m e r f a c c ) ，每个接口还可设有几 个替换接口( a 1 蜘m t i v c1 1 1 t e r f ；l c e ) ，以适应不同的带宽需求，而接口的组合形成一 种配置( c o n 埏眦岫o n ) ，一个设备可以拥有多种配置，但在同一时刻只允许一种 配置起作用。u s b 设备都含有描述自身功能和特性的信息，称之为描述符 ( d 嚣c r i p t o r ) 。它可分为标准描述符、类描述符等几种。所有的u s b 设备都必须 支持标准描述符的定义，它包括设备描述符( d e v i c ed e s 嘶p t o r ) 、配置描述符 ( c o n f i g i l r a t i o nd e s c i i p t o r ) 、接口描述符( h l t e 响c ed 器c r i p t o r ) 、端点描述符 ( e n d p o i n td c v i c ed 鹤嘶p t o r ) 、字符串描述符( s 劬gd e s c r i p t o r ) 。对于高速设备 而言，还应包括设备限定描述符( d e v i c eq u a l i 丘盯d e s 谢p t o r ) 和其它速率的配置 描述符( o t l l 盯s p e e dd e s c r i p t o r ) ；类描述符是标准描述符的扩展集，定义了某一 类设备的公共属性。主机在总线枚举时可通过缺省的消息管道获取这此描述符， 以为设备的自动配置提供依据。 主机对设备的控制是通过设备请求来实现的。这些请求是利用控制传输来产 s 韭鏖銮道太堂亟堂缝i 金塞型堕簋企 生，遵照固定的数据结构。u s b 设备必须对标准设备请求做出响应，此外，某些 设备还可响应供应商、设备开发人员定义的专用设备请求，以实现设各特殊的功 能。 2 2 u s b 数据传输 u s b 总线属于一种轮询方式的总线，它的数据传输过程比一般串口通信协议 要复杂的多。u s b 规范将一个完整的传输过程分解成若干个数据传输事务，一个 传输事务最多可传输3 个数据包：令牌包( t o k c i lp a d 谳) 、数据包( d a t ap a c k e t ) 和握手包( h 锄d s h a l 【ep a c k e t ) 。每次传输开始时，主机发出令牌包，来说明传输的 种类、方向、u s b 设备地址和终端号。u s b 设备从解码后的数据包的适当位置取 出属于自己的数据。数据包的分为i n 方向和o u t 方向，其中i n 方向表示数据从 设备发往主机，传输结束后，主机发回握手包，表明传输是否成功；而o u t 方向 则表示数据从主机发往设备，传输结束后，设备发回握手包。主机和设备端口之 间的u s b 传输可以视为一个通道，通常存在两种类型的通道：流和消息，流的数 据不像消息的数据，它没有u s b 定义的结构，而且通道与数据带宽、传输服务类 型和端口特性有关。多数通道在u s b 设备设置完成后即存在，u s b 中有一个特殊 的通道一缺省控制通道，它属于消息通道，当设备一启动即存在，从而为设备的 设黄、查询状况和输入控制信息提供了一个入口”1 。 不同的应用对u s b 数据传输量的大小、传输速率的高低、是否需要同步传输 或突发传输等方面提出了不同的要求。根据这些要求，u s b 总线规范定义了四种 传输类型：控制传输( c o n 扛d lt m n s f 酗) ，批量传输( b u l l 【t f 龃s f b f s ) ，中断传输 ( i n t e m l p t n 吣触) 和等时传输( i s o c h r o n o 璐t r a n s f b f s ) 控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求，但必须传 输的数据。u s b 总线为控制传输保留了带宽，主机的u s b 系统软件可以为其动态 的调整所需的帧仆帧时间，以确保其能够被尽快的传输。u s b 还采用差错控制和 重试机制保证数据传输的正确性。控制传输在设备连接时用来对设备进行设置， 也可对指定设备进行控制。所有的u s b 设备都必须支持控制传输。 批量传输适用于传输大量的，对准确性要求较高，对传输时问和传输速率无 要求的数据。批量传输的优先级比较低，当u s b 总线空闲时，它会以很快的速率 传输，传输时问很短，不会阻塞u s b 总线。另外，通过采用差错控制和重试机制 保证了数据的正确性。批量传输主要用于打印机，扫描仪，移动硬盘等设备。 中断传输适用于对传输速率要求不高，但必须在指定时间内完成的数据传输。 最早在发展u s b 外围设备时，以人工接口设备为设计考虑，其数据只须做输入玳 9 传输，在规范书1 1 版中已改为双向传输，增加了0 u t 的传送模式。u s b 总线为 中断传输保留了带宽，以保证其能够快速地向主机报告当前的状态，并可在规定 的周期内得到服务。中断传输也采用差错控制和重试机制保证了数据的正确性。 中断传输主要用于键盘，鼠标，游戏杆等设备。 等时传输适用于传输速率恒定的，对服务周期有要求的数据。u s b 总线为等 时传输保留了带宽，并且保证能在每帧，j 、帧中都得到服务。其一直使用准确的传 输速率，因此传输时间是可预测的。为确保传输数据的及时性，等时传输没有采 用差错控制和重试机制。等时传输主要用于c d 播放机，扬声器，摄像头和视频等 设备。本文设计的虚拟信号源就是基于等时传输模式的。 2 3u s b 2 o 的特殊性 u s b 2 0 的传输速率最高可达到4 8 卟肪p s ，比u s b l 1 提高了4 0 倍。下面讨论 一下u s b 2 o 规范的特殊性，以得出其传输速率增加的根本原因。 首先，u s b 2 o 规范采用微帧结构。在u s b l 1 规范中，每l i 璐为l 帧，u s b 主机每l m s 向u s b 设备传输一个s o f ( 帧起始) 包来作为时间基准。s o f 包包含 对每一帧进行累加计数的l l 位计数值。而在u s b 2 0 的高速方式下，每1 m s 帧被 分为8 个1 2 5 | ls 的微帧，u s b 主机每l n 岱向设备发送1 个s o f 包，而帧计数值 仍然是每l m s 累加一次，所以这8 个微帧具有相同的帧序号。微帧结构能够携带 到达更多地址的更多传输，从而使单个事务能够传输更多的数据包”。 其次，u s b 2 o 的数据包长度增加。u s b 2 o 规范比u s b l 1 规范扩大了各种传 输类型的数据包长度。如表2 1 所示。数据包长度的增加使每个事务能够传输更多 的数据，微帧的采用，使每个事务的每帧能够携带更多的数据包。这就是u s b 2 0 传输速率增加的根本原因。 最大数据包尺寸( b y t e ) 传输类型 u s b l 1u s b 2 o 控制传输 8 ，1 6 ，3 2 。6 4 “ 批量传输 8 。1 6 ，3 2 ，6 4“ 中断传输 1 6 41 1 0 2 4 等时传输 1 1 0 2 4 l 1 0 2 4 表2 1u s b l 1 和u s b 2 o 的传输类型最大数据包尺寸 1 曲l c 2 - lm 瓢曲啪p a c k c ts i 猫f o ru s b l 1a n d2 o 断1 咖 1 0 北塞銮逼太堂亟堂焦论变垡s 旦简佥 最后，包类型的增加。u s b 2 o 规范比1 1 规范增加了以下的包来实现高速传 输过程：高速高带宽等时事务的数据包d a 姒2 ，高速分割事务和高带宽等时事务 的数据包m d a r a ，接收端未响应的握手包n y e t ，高速分割事务标志的特殊包 s p l i t ，批量控制端点高速流探测的特殊包p i n g 。通过这些新增加的包类型，可 以更加有效的利用总线的带宽资源，实现数据的高速传输。 2 4 即插即用和热插拔 支持即插即用和热插拔是u s b 总线的重要特色之一，为用户提供了极大的方 便。它包括设备连接与拆除状态的识别；设备的动态配置，如资源的分配回收， 驱动程序的装载卸载等方面的内容。 2 4 1 设备的拆除和连接 主机或集线器通过检测总线状态来识别设备的连接与拆除以及判断设备的速 率。基本原理如下： 在主机或集线器的所有下行端口的d 咔、d 线上都接有1 5 k 的下拉电阻，低速 设备的d 线上接有1 5 k 的上拉电阻，全速设备的d + 线上接有1 5 k 的上拉电阻。 当有一设备接入时，此时数据线尚未驱动，上述电阻将在信号线上产生静态偏置 电压，对低速设备而言，d 一线电压高于2 8 v ，对全速设备而言，d + 线高于2 8 v ； 而当设备拆除接入后，d + 、d 线均接近于地电平。由此可判断低、全速设备的连 接与否，并且可识别设备的速率。 高速设备的识别比较特殊。它在接入之初，表现为全速设备，即d + 线上接上 拉电阻，随后主机与设备之间通过c h i r pj k 机制进行握手，若握手成功，则设备 断开上拉电阻，进入高速状态；若失败，则上拉电阻仍保持，设备在全速下运行。 2 4 2 总线枚举 设备的动态配置是通过总线枚举( b we n 啪日撕o n ) 来实现的。具体枚举过 程如下： 1 当集线器检测到某一下行端口有设备接入时，将相应的端口状态位置位。 2 主机采用中断传输定时查询集线器的端口状态，若发现状态位有效，则主 机在等待至少1 0 0 m s 以上的时间，以保证设备上电达到稳定，然后发送端口激活 和复位命令。 j 夏銮煎厶堂亟堂焦论塞 型s 旦筒佥 3 集线器向设备发送总线复位信号。当总线复位完成之后，端口被激活，设 备进入缺省状态。此时只有端点0 有效，主机可通过该缺省管道读取设备描述符， 以确定缺省管道的分组尺寸。 4 集线器检测设备的速度，并在主机轮询时报告该信息。 5 主机给设备分配一个唯一的设备地址，此后设备进入寻址状态。 6 主机中u s b 系统软件发送g e td e s 函p t o r 请求，获取设备、配置、接口等 描述符，收集设备信息，同时根据设备描述符中的、，i d ，p i d 域和d e v i c ec l a s s 域等信息装载相应的设备驱动程序，创建驱动程序栈和设备栈。 7 主机根据设备的配置信息和可用的u s b 总线资源，确定设备可行的配置方 案，通过发送s 雠c o n f i g u m t i 请求，指定设备的配置值。至此，设备配置完成， 为以后的功能启用做好了准备。 u s b 所具有的以下优点使其在短时问内获得了迅猛的发展。 1 使用方便。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 设计的驱动程序和应用软件可自启动。u s b 设备不涉及瓜o 冲突等问题， 它单独使用自己保留的中断，不会与其他设备争用p c 机有限的资源，即插即用。 2 传输速率较高。具备u s b 功能的p c 都支持低速1 5 m b s 与全速1 2 m b s ， 而商速4 8 0 m b s 则需要支持u s b 2 o 的主机板或扩充卡。通常u s b 传输速率指的 是信号或信道支持的位速率，每一个u s b 设备的实际数据传输会比理想值低，除 了数据之外，信道还需要传输状态、控制与错误检查的信号。由于多个u s b 设备 可能分享同一个信道，所以在实际应用中，对于单一传输最大速率，在高速模式 下为5 3 m b s ，在全速模式下为1 2 m b s ，在低速下则为8 0 0 b s 。 3 连接灵活。u s b 接口支持多个不同设备的串列连接，一个u s b 接口理论上 可连接1 2 7 个u s b 设备，外设之间距离( 线缆长度) 可达5 m ，既可以使用串行 连接，也可以使用集线器( h l l b ) 把多个设备连接在一起，还能智能识别外围设备 的接入和拆卸。所有外设都在机箱外连接，不必打开机箱。 4 独立供电，不需要额外的电源。u s b 接口提供内置电源，u s b 总线可以从 主机获得5 v 5 0 0 l i 徂的电源，从而降低了设备的成本提高了电磁兼容性。 5 稳定性。u s b 使用差分的驱动接收和防护，以保证信号的完整性；u s b 在 数据和控制信息上加了循环冗余码，具有自动查错和除错的功能，使传输错误的 发生率几乎为零。 总之，u s b 通用串行总线的一系列优点，使主机对u s b 设备的操作方便快捷， 就好像u s b 设备是主机的一部分一样。这样，很多测试测量的任务都可以尽可能 的由主机承担，更加发挥了计算机的通用性，简化了专用硬件设备的开发工作， 从而能大大缩短开发周期，降低成本。这些都给基于虚拟仪器概念的测试仪器开 1 2 北京窑通太堂硬堂鱼论奎型s 旦茴金 发方式带来了深刻的变革。 3 基于u s b 2 0 技术的信号源设计 本文设计的信号源是作为超声换能器的驱动脉冲信号来源。基于u s b 的虚拟 式信号发生器的系统组成如图3 1 所示，它的硬件组成分为u s b 主机和u s b 功能 设备两个部分。 图3 1 u s b 系统组成 f i g i 鹏3 一lc 蛐p o s i l l go f u s bs y s t 咖 在u s b 主机中包含有u s b 主控制器，负责完成主机和u s b 设备之闻的物理 数据传输。u s b 主控制器分为两种类型：开放型主控制器和通用型主控制器，这 两种主控制器执行相同的操作，只是在处理方式上有所差异。主控制器内部包含 一个u s b 根集线器，用于给u s b 系统提供一个或多个连接端口。根集线器是与 u s b 设备物理连接的部分，使用u s b 总线驱动程序实现主机与u s b 设备之间数 据的实际传输，总线驱动程序通常由操作系统提供，开发人员不必关心。 u s b 主机中还有u s b 设备驱动程序和界面应用程序，用于和指定的u s b 设 备进行通信，以实现其特殊功能，如波形数据发送。u s b 设备驱动程序负责和u s b 总线驱动程序进行接口，以完成与u s b 设备之间的数据通信，它只知道u s b 设备 的一个管道和一个接口，而不理解实际的串行传输机制。界面应用程序负责和u s b 1 4 设备驱动程序进行接口，以操作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 设备接收的数据。固 件程序指的是在u s b 设备上运行的8 0 5 l 程序代码，主要包含初始化、处理标准 u s b 请求、u s b 挂起时的电源管理以及外设功能代码。本设计主要完成u s b 设备 硬件设计、g p l f 硬件接口设计。 3 1 基于u s b 2 0 信号源的硬件电路设计 3 1 1 波形发生器的整体设计 在基于u s b 2 o 的波形发生器的设计过程中，提出了一种模块化的设计思想。 整个硬件电路分为u s b 设备接口模块和波形产生模块两大部分。图3 2 是波形发 生器的功能框图。 图3 - 2 基于u s b 2 o 的波形发生器功能框图 f i g u 地3 - 2f 帅c t i 佃f r a 蛐州o r l co f w h e f o 珊g 朗e r a t o rb a s e do nu s b 2 o 由p c 主机产生的波形数据是数字信号，经u s b 2 o 设备接口模块送入d a 数 模转换器进行转换，数字信号变成模拟信号，再经滤波后可作为超声换能器的输 入驱动信号。u s b 2 o 设备接口模块采用上海思越公司的s y 2 2 0 0 开发板，s y 2 2 0 0 的核心控制器是c y p r 鼯s 公司的e z - u s bf x 2 芯片，f ) ( 2 即承担u s b 2 o 协议的处 理和接口数据传输工作，又是d a 转换模块的控制器。u s b 接口模块和d ，a 转换 模块通过标准的a = 】a 接口相连。图3 3 是所开发的波形发生器的实物图。下面对 两个模块分别讨论。 1 5 3 1 2u s b 2 0 接口模块 图3 - 3 波形发生器 f i g i | 3 _ 3 w a v e g 龇r 在u s b 设备接口模块中，选用了上海思越公司的s y 2 2 0 0 开发板，该开发板 的核心芯片是c m 燃s 公司的e z u s bf x 2 系列芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 。f x 2 不但处理 了u s b 的底层协议，完成了u s b 接口的数据传输工作，而且通过其内嵌的通用可 编程接口g p ，成为d a 转换模块的控制器。这样就简化了电路的结构，减少了 占用的空间，方便了调试工作的开展，并提高了设备的电磁兼容性。该部分还包 括了一个与主机相连的u s b 连接器，以及一个与d a 转换模块相连的御隗标准 接口 1 2 结构功能特点分析 e z u s bf ) ( 2 是世界上第一款集成u s b 2 o 协议的微处理器，具有特殊的结构 和强大的功能。它支持1 2 m b p s 的全速传输和4 8 0 m b p s 的高速传输，完全适用于 u s b 2 o ，并向下兼容u s b l 1 。f x 2 内部主要集成了u s b 2 o 收发器，智能串行接 口引擎( s ) ，增强型8 0 5 l 内核，8 5 k b 的r a m ，4 k b 的f i f o 存储器，们3 端 口，1 2 c 总线接口，8 1 6 位数据总线和通用可编程接口( g p i f ) 等。f ) ( 2 系列 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 有4 种封装形式，分别为5 6 脚s s o p ，5 6 脚q f n ，1 0 0 脚t q f p 和1 2 8 脚t q f p ，不同的封装形式其内部结构和功能略有不同，用来针对不同的应 用要求。s y 2 2 0 0 开发板上使用的是1 2 8 脚t q f p 的芯片，其内部结构如图3 - 4 所 示。 1 6 图3 4 e 乙u s bf ) 【2 内部结构图 f i g l l 3 4e z - i ，s bf ) ( 2h 岍n a lf 哪w o r k 串行接口引擎s i e ( s 州a lh n e m c ee n 蛮) 负责完成诸如串行数据的编解码， 差错控制，位填充等与u s b 协议有关的功能。特殊的是，f x 2 中的s i e 不需要固 件程序的参与以及微控制器的