（计算机系统结构专业论文）基于usb的高速数据采集系统设计.pdf

摘要 本文充分利用高速通用串行总线( u s b ) 所具有的传输速度快、支持热插拔、 即插即用、易于扩展、占用的系统资源少等优点，将其与传统的数据采集技术相 结合，设计实现了一种基于u s b 的集数据采集、分析、显示为一体的数据采集系 统。 基于课题的研究内容，本论文首先对u s b 2 0 总线技术进行了介绍，包括总线 特征、数据流模型、传输类型等；然后详细介绍了一种基于u s 2 0 接口技术的数 据采集系统，包括硬件设计、固件设计、设备驱动程序设计和主机应用程序设计。 在硬件设计部分，论文首先介绍了u s b 2 0 接口芯片f x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 的性能和特 点，然后给出了具体的硬件设计方案；在固件设计部分，论文先介绍了f x 2 的固 件框架，随后详细地介绍了c y 7 c 6 8 0 1 3g p i f 接口模式的固件设计；在驱动程序 开发部分，先引入了w d m 驱动程序开发模型，然后介绍了本数据采集系统的u s b 设备驱动程序的设计；最后结合驱动程序完成了基于虚拟仪器l a b v i e w 的主机应 用程序。 论文完成的基于u s b 总线的数据采集系统，为数据的采集提供了一种更有效、 更经济、更方便的数据采集方式。 关键词：u s b 数据采集固件w d m 虚拟仪器 a b s t r a c t an e wk i n do fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s w h i c hi sb a s e d o nu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) t e c h n o l o g yw i t hd a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y t o g e t h e r t h ea d v a n c e dp e r f o r m a n c eo fu s b w i t hh i g h s p e e d ，h o t p l u g l n ，p l u ga n dp l a y , e a s i l yt oe x p a n da n de n g r o s s i n gl e s ss y e t e mr e s o u r c ei ss h o w ni nt h es y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i st h e s i s ，t h eu s b 2 0b u st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d f i r s t l yi nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gb u sa t t r i b u t e s ，d a t af l o wm o d e l ，d a t af l o wt y p e sa n ds oo n ， a n dt h e nt h ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i li nw h i c ht h e r e a r ef o u rp a r t s ：h a r d w a r ed e s i g n ，f i l n l w a r ed e s i g n ，d e v i c ed r i v e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h ep a r to fh a r d w a r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fu s b 2 0c o n t r o l l e rf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3i s d e s c r i b e df i r s t l y , a n dt h e nt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ei s 舀v i nd e t a i l i nt e r m so ft h e f i r m w a r ed e s i g n ，t h ef x 2f i r m w a r ef l o wp r o v i d e db yc y p r e s sc o m p a n yi sd e s c r i b e d ， a n dt h ef i r m w a r ed e s i g no fg p i fi sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gi nd e t a i l i nt h ep a r to fd r i v e r p r o g r a m ，w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) i si n t r o d u c e da n dt h eu s bd e v i c ed r i v e ro f t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s g i v e n a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do nt h e l a b v i e wi sc o m p l e t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s bb u sp r o v i d e sam o r ee f f e c t i v e ，m o r e e c o n o m i c a la n dm o r ec o n v e n i e u tw a yt oc o l l e c td a t a k e yw o r d s ： u n i v e r s a ls e r i a lb u sf o s b ) d a t aa c q u i s i t i o nf i r m w a r ew d m v i r t u a li n s t r u m e n t s 创新说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蚪 日期丝亟至生生一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和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西安电子科技大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期丝6 ：签丝 日期型丛 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科 学的一个重要分支，是与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而 形成的一门综合应用技术。它研究信息数据的采集、存储、处理及控划等作业， 具有很强的实用性。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应 用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、分辨率、线性度、 精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来越高的要求，特别是精 度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高速数 据采集系统应运而生并且得到了快速发展。今天，数据采集技术已在工业生产和 科学技术研究等众多领域中得到了广泛应用并取得了良好效果。 现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，如a d 卡或4 2 2 、4 8 5 等总线板卡， 它们一般多是通过i s a 或是p c i 等内置式接口实现p c 机与外围系统之间的通信。 内置式插卡容易受到p c 机箱内高频信号的干扰影响，从而降低系统的采样精度和 稳定性。此外，计算机主板上的插槽个数是有限的，加上仪器电路插卡的安装r 必 须断电、打开机箱操作) 很不方便。更有甚者，在p c 机箱内插入的专用插卡必须 进行资源重配置，以避免资源冲突，而此项工作专业性很强，往往令人头疼。这 些弱点使得他们的应用受到了很大的局限。现在的u a r t 串行口虽然支持外插， 但因其速度太慢，远不能适用现今高速设备的发展需求。而通用串行总线( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，简称u s b ) 使高传输速度、易扩展性、方便的即插即用有机的结合在 一起，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的 数据采集。 1 2u s b 技术概述 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 的简称，是1 9 9 5 年c o m p a q 等公司为了解决传统总线的不足而推广的一种新型串行通讯标准。由于u s b 具有 易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等优点，在短短不到两年的时间内 从书面的协议转变成为产品，迅速被应用在视频会议的摄像采集、扫描仪、监视 器、p c 电话设备、人机交互设备和游戏设备等，在国内也逐渐应用在工业数据采 集系统中。 2基于u s b 的高速数据采集系统设计 u s b 概念的提出是在1 9 9 4 年，1 9 9 6 年u s b l 0 协议公布，但直到1 9 9 7 年 m i c r o s o f t 公司推出w i i l 9 5 9 7 之后，u s b 才开始进入实用阶段，而且这个版本对 u s b 的支持属于外挂式模块。直到w i n d o w s 9 8 推出之后，u s b 接1 2 1 的支持模块才 真正日趋成熟，u s b 技术进入了高速发展时期。1 9 9 8 年c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、 n e c 四公司联合发布u s b 协议1 1 版本，规定了两种传输速度( 低速1 5 m b l s 和 高速1 2 m b s ) 以满足不同需要。很多厂商推出了1 1 协议芯片，促进了u s b 的发 展。2 0 0 0 年4 月c o m p a q 、h e w l e t t - - p a c k a r d 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 、p h i l i p s 联合发布u s b 2 0 眩1 版，将速度提高到4 8 0 m b s 。带宽( 数据的吞吐速度) 增大后， 各种外设的功能扩展便显得异常容易。2 0 协议激发了新一轮u s b 高潮，扩展了 u s b 的应用范围。 u s b 总线是一个星型总线结构，它相对于以往的计算机外设总线如r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 等具有一下优点。 ( 1 ) 速度快。u s b l 1 协议规定两种速度：低速1 5 m b p s 、全速1 2 m b p s ，现 有的u s b 2 0 传输速率已经高达4 8 0 m b p s ，约5 0 m b s 的峰值传输速率。 ( 2 ) 连接简单灵活。在u s b 方式下，所有的外设都在机箱外连接，连接外 设不必再打开机箱；允许外设热插拔，不必关闭主机电源，用户不必参与设备安 装过程。另外，u s b 接口支持多个不同设备采用“级联”方式，即每个u s b 设备 用一个u s b 插头连接到另一个外设的u s b 插座上，而其本身又提供一个u s b 插 座供下一个u s b 设备连接使用。通过这种类似菊花链式的连接，一个u s b 控制器 可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间距离( 线缆长度) 可达5 米。u s b 能智 能识别u s b 链上外围设备的插入或拆卸。u s b 为p c 的外设扩充提供了一个很好 的解决方案。 ( 3 ) 采用总线供电。普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统， 而u s b 设备提供总线供电和自供电两种方式。对于所需电流小于5 0 0 m a ，电压为 5 v 的外设，可采用总线供电，这样设备就不需要专门的电源，从而降低这些设备 的成本，减小了外设体积，提高了性价比。 ( 4 ) 抗干扰性强。由于u s b 外设置于计算机箱外，不受机箱内的板间电磁 干扰。若在电磁干扰比较严重的环境下，可以很容易设计屏蔽方案。 ( 5 ) u s b 设备不涉及主机中断请求( i r o ) 冲突问题。u s b 口单独使用自己的 保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的资源，同样为用户省去了硬件配置的 烦恼。 另外，u s b 设备一般都比同类设备的成本低。 第一章绪论 1 3 国内外现状及研究目的 目前，u s b 数据采集技术在国外已处于高速发展阶段。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 4b 1 系列产品，美国o c e a n o p t i c s 公司 的a d c l 0 0 0u s b 4 1 ，n i 公司的u s b d a q 【5 1 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 哺系列、四川拓普公司的 u d a q 、u b o x 、u c a r d ”等系列。虽然与国外同类产品相比，国内u s b 数据 采集系统性能有一定差距，如大部分产品仍采用u s b l 1 协议，数据采集频率低， 精度和分辨率低，数据处理能力差；存储容量小等等，但是国内各企业、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。 本课题研究目的在于充分利用u s b 总线所具有的即插即用、自供电、自动检 测等优点来有效的解决传统数据采集系统的缺陷。参考目前市场情况和智能仪器 的设计要求，论文给出了一种基于u s b 总线的集数据采集、分析、显示为一体的 数据采集系统。该系统能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集，并且易于携 带，可以将数据采集产品模块轻松地带到现场完成数据采集工作。对数据的采集 提供了一种更有效、更经济、更方便的数据采集方式。 1 4 课题主要研究内容和主要工作 本论文在研究u s b 总线技术，包括电气及机械特性、数据传输类型、数据流 模型等的基础上，提出了一种u s b 接口的数据采集系统方案，设计并实现了基于 u s b 接口的数据采集的硬件系统：编写了u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程 序，实现了c y 7 c 6 8 0 1 3 和c p l d 之间的通信；编写了数据采集系统的u s b 设备 驱动程序，实现了主机软件和数据采集系统之间的通信；编写了基于l a b v i e w 的 主机应用程序，实现了对所采集的数据的图形化显示。 各章节的安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了本课题的研究背景、研究现状和目的以及课题的主要内容。 ( 2 ) 第二章介绍了u s b 协议，包括电气及机械特性、数据传输类型、数据 流模型等。 ( 3 ) 第三章介绍了本系统的硬件和软件总体设计方案。 ( 4 ) 第四章给出了具体的硬件设计，其中包括a d 转换、c p l d 控制器接e 1 4 基于u s b 的高速数据采集系统设计 设计、电源设计及u s b 设备端接1 2 1 设诂等内容。 ( 5 ) 第五章详细地介绍了数据采集系统中u s b 设备的固件开发方法。 ( 6 ) 第六章介绍了数据采集系统中u s b 设备的驱动程序的设计方法。 ( 7 ) 第七章介绍了基于l a b v i e w 的主机应用程序的设计 ( 8 ) 最后是对本文的总结和展望。 第二章u s b 总线技术 第二章u s b 总线技术 为了解决传统p c 机在发展过程中所遇到的一些问题，如外设通信端口数量不 足，外设连接繁琐、配置困难，数据传输速率低等，c o m p a q 、d e c 、i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l c c o m 七家公司共同研制开发了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，即通用串行总线) 。u s b 是种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并支 持热插拔的串行端口，它把网络的拓扑结构思想引入计算机组织结构，从而增强 了p c 端口的扩展性。从1 9 9 4 年到u s b 论坛的成立到今天u s b 设备的普及，事 实说明u s b 已成为一种在实际应用中具有重要地位的技术。因此研究u s b 具有一 定的意义。本章将简单介绍设计u s b 设备所需的基本知识。 2 1 1 电气特性 2 。1u s b 总线的机械和电气特性 u s b 数据传输采用四根电缆，其中两根( d + 、d ) 是用来传送数据的串行通 道，另两根( v b u s 、g n d ) 是符合标准的电源线，为下游的u s b 设备提供电源， 如图2 1 所示。 图2 1 u s b 电缆 其中，d + 、d 是串行数据通信线，它支持两种数据传输速率，对于高速且要 有高带宽的外设，u s b 阻全速1 2 m b p s 或高速4 8 0 m b p s 传输数据；对于低速外设， u s b 则以1 5 m b l c s 的传输速率传输数据。u s b 总线会根据外设情况在不同的传输 模式中自动地动态转换。v b u s 通常为+ 5 v 电源，g n d 是地线。u s b 总线是基于令 牌的总线，类似于令牌环网络或f d d i 基于令牌的总线。 2 1 1 电源 u s b 电源主要包括两方面： 电源分配：即l i s b 的设备如何通过u s b 总线获得u s b 主机提供的电源。 6 基于u s b 的高速数据采集系统设计 电源管理：即通过电源管理系统，u s b 系统软件和设备如何与主机协调工 作。 ( 1 ) 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的电源。主机对那种直接相连的u s b 设 备提供电源使用，并且每个u s b 设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提 供能源的设备称作“总线供电”设备。相反，那些可选择电源来源的设备称作“自 供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的u s b 设备提供电源。 ( 2 ) 电源管理 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统。u s b 的系统软件和主机电 源管理系统相互作用，以此来控制挂起、唤醒等系统电源事件。另外，u s b 设备 可以具有u s b 技术规范所规定的电源管理信息，从而系统软件或类驱动程序可对 其进行电源管理。 2 2u s b 数据流模型 u s b 按照通信服务协议为主机和连接的设备提供通信服务。通信服务的协议 按照不同的功能分为功能层、设备层和接口层，这些层之间的通信模型如图2 2 所 不。 主机 物理设备 j i 客户软件b 叫 功能 功能层 u s b 系统k ，lu 裴刮 3 s b 设备层 软件 i tt u s b 主规iu s b , 总 u s b 总线 控制器l j接口 辟口孱 _ - _ _ _ 实际通信流 逻辑通信流 图2 2u s b 系统层次结构 模型中的u s b 设备、客户软件、u s b 系统软件和u s b 主控制器是u s b 系统 的四个执行范围，其解释如下： 第二章u s b 总线技术 u s b 设备：一种位于u s b 电缆末端的硬件，完成一些有用的终端用户的 功能，如打印、扫描、采集等。 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 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。 u s b 主控制器( 主机端的总线接口) ：允许u s b 设备连接到主机的硬件和底 层软件。 如图2 2 所示，主机和设备间的连接要求不在一层的实体之问有相互作用。 u s b 总线接口层为主机和设备问提供物理信号，包的连接。u s b 设备层的u s b 系 统软件必须具有完成一般u s b 操作的功能。功能层通过一个特定的与功能模块匹 配的客户软件层来实现u s b 设备的功能。每个u s b 设备层和功能层都没有一个在 层内的逻辑通信流。实际上，u s b 中真正的数据传送是通过u s b 的总线接口层来 完成的。 2 2 1u s b 系统描述 u s b 总线拓扑是指u s b 设备和主机之间的连接模型，包括u s b 主机、设备 以及他们之间的相互连接。 1 u s b 主机 主机由三部分构成：主机控制器、u s b 系统软件( 包括u s b 驱动程序、主机 控制器驱动程序及主机软件) 和客户软件。 u s b 主枧是u s b 中唯一的一个用于协调工作的实体。除了他的特殊物理位置， 对于u s b 和与之相连的设备而言，主机还有一些特殊的责任。对u s b 的访问都由 主机控制，只有当主机允许其访问时，一个u s b 设备才能获得对总线的访问权。 另外，主机还负责整个u s b 的拓扑结构。 2 u s b 设备 u s b 物理设备由u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能模块构成。u s b 设备 为主机提供补充的功能，功能类型范围很广，如打印、视频和音频等。然而，所 有的u s b 设备对主机有着相同的基本接口，这就允许主机以相同的方式管理u s b 设备中与u s b 相关的部分。 为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都带有并报告和配置相关的信息。 一些报告信息是所有逻辑设备共有的信息，另外的一些信息是提供给设备特定的 功能。这些信息的具体格式依赖于设备的类型而变化。 3 u s b 主机和设备的连接 8 基于u s b 的高速数据采集系统设计 ( 1 ) 物理总线拓扑结构 u s b 系统中的设备与主机的连接方式采用的是星型连接，主机通过根h u b 提供若干个连接点。用于提供具体工作的设备叫应用设备。许多不同功能的设 备放在一起被看作一个整体，叫包。所有这些设备及这个h u b 被看作一个复合 设备，而这个h u b 又被看作这个复合设备的内部h u b 。在主机看来，这个复合 设备和一个带着若个设各的单独h u b 是一样的。 ( 2 ) 总线逻辑拓扑结构 在物理结构上，设备通过h u b 连接到主机上。但在逻辑上，主机是直接与 各个逻辑设备通信的，就好像他们是直接被连到主机上一样。虽然u s b 系统 中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有所了解。例如， 在处理h u b 被移去的情况时，当一个h u b 被移出，通过它与主机相连的设备 也应一起被移去，这是由其物理结构决定的。 2 2 2u s b 的通信流 u s b 提供了主机上的软件和u s b 功能块之间的通信服务。根据不同的客户与 功能块之间的相互作用的要求，功能块可具有不同的通信流。通过分离允许连接 到u s b 功能块的不同的通信流。u s b 较好地使用了整个总线。每个通信流利用一 些总线访问来完成功能块之间的通信。每个通信流终止于设备上的一个端点 ( e n d p o i n t ) 。设备的端点是u s b 设备唯一的可标识部分，用来标识每个通信流的 方向，它是主机和设备之间的通信流的信息源或终点。 医订 i _ j 图2 3 u s b 通信流 第二章u s b 总线技术 9 主机上的软件通过一组通信流与逻辑设备进行通信。通信流由设备的软硬件 设计者选择，以使设备的通信要求与u s b 提供的传输特性有效匹配。 2 2 2 1 设备端点( d e v i c ee n d p o i n t ) 每个u s b 逻辑设备由各个独立操作的端点的集合构成。软件可经由一个或几 个端点与u s b 设备进行通信。每个逻辑设备有一个唯一的在设备连接上u s b 时由 系统分配的地址。设备上的每个端点有一个唯一的标识端点号( e n d p o i n t n u m b e r ) 。端点号是u s b 设备上的一个唯一的管道端点。设备地址和端点号的组 合可唯一的确定每个端点。 在被配置前端点处于未知状态，此时端点不能被主机访问。 ( 1 ) 端点0 的要求：所有u s b 设备都要求有一个端点号为0 的特殊端点来初 始化设备和配置逻辑设备。端点0 提供对设备配置信息的访问和允许一般的u s b 状态和控制信息的访问。端点0 支持控制传输。一旦设备被连接和加电，端点0 就被配置。 ( 2 ) 非端点0 的端点要求：在实际功能需要时，功能块可有另外的端点。低 速功能块在端点0 以上不多于2 个端点；而全速功能块可有1 6 个输入和输出端点。 端点只有在配置以后才可使用。除端点0 外，端点作为正常配置过程的一部分进 行配置。 2 2 2 2 管道( p i p e ) 管道表示主机软件通过存储缓冲器与设备上的端点进行数据传送的能力。当 u s b 设备被配置时，管道开始存在。因为端点0 是设备一旦加电就被配置，所以 主机和设备间总有对应于端点0 的一根管道存在，此管道称之为缺省管道( d e f a u l t p i p e ) 。 ( 1 ) 流管道( s t r e a m p i p e ) ，在流管道中传输的数据不具有u s b 定义的结构。 流管道在它们的通信流中通常是无方向性的。 u s b 系统软件不要求在可能使用相同的流管道的多客户之间提供同步。提交 给流管道的数据以连续的顺序通过流管道移动先进先出。到设各的流管道在 合适的方向( 对应于i n 或o u t 标记) 被捆绑到单个设备端点号上。相反方向上 的设备端点号可用于一些其他的流管道。流管道支持批量、同步和中断传输类型。 ( 2 ) 消息管道( m e s s a g ep i p e ) ，消息管道是用请求，数据，状态范例传送数据的 管道。通过信息管道的数据具有允许请求被可靠识别和传送的强制结构。它们以 与流管道不同的方式与端点相连。首先，一个请求从主机发送到u s b 设备，这个 请求后紧跟适当方向( i n 或o u t ) 的数据传送。最后，在稍晚的时候，紧跟从端 1 0基于u s b 的高速数据采集系统设计 点响应的一个状态级( s m g e ) 。 缺省管道是由u s b 系统软件创建的消息管道，用于在主机和u s b 设备的端 点0 之间传送控制和状态信息。系统软件用此管道来确定设备标志和配置要求， 以及用来配置设备。 u s b 系统软件保证多个请求不会同时发送给一个端点。在某一时刻，一个端点 只被要求为单个信息请求服务。主机上的多个软件客户通过缺省管道能产生请求， 但它们以先进先出的顺序被送到端点上。在基于响应主机事务能力的数据和状态 级( s t a g c ) ，端点能控制信息的流动。只有当端点上的当前信息处理完成后，端点 才会正常地发送下一个信息。 到一个设备的消息管道在2 个方向( i n 或o u t 标记) 要求有一个单一的设备 端点号。对于每个方向u s b 不允许信息管道与不同的端点号相联系。 消息管道只支持控制传送类型。 2 3u s b 数据传输类型 u s b 数据传输类型是从u s b 系统软件的管理角度来描述的。传输( t r a n s f e r ) 指在客户软件和它的功能块之间的一个或多个消息传输的总线事务( b u s t r a n s a c t i o n ) 。传输类型决定在客户软件和它的功能块之间的数据流的特性。u s b 通过管道与主机的客户软件相关联的存储缓冲器和u s b 设备上的端点之间传输数 据。通过消息管道传输的数据带有u s b 定义的结构。但也允许在u s b 定义的消息 数据有效载荷( p l a y l o a d ) 之内传输设备特定的结构数据。u s b 也定义在总线传输 的打包的数据，但在一个总线事务的数据有效载荷之内传输的数据格式和解释最 终由客户软件和使用管道的功能块确定。然后，u s b 提供的不同数据传输类型更 完美的匹配了客户软件和使用管道的功能块的服务要求。 当为一个端点建立管道时，大多数管道的传输特性就已被决定。为适应设备 的多样性，u s b 协议定义了4 种传输类型：控错0 传输、同步传输、中断传输、批 量传输。 控制( c o n t r 0 1 ) 传输允许对一个设备的不同部分进行访问。控制传输用于支 持在客户软件及其功能模块之间的配置信息、命令信息、状态信息等类型的通信 流。一个控制传输由以下几个事务组成：( 1 ) 总线建立操作，负责将请求信息由 主机送至功能模块：( 2 ) 零个或多个数据传送事务，按照( 1 ) 事务中指明的方向 传送数据；( 3 ) 状态信息回传，将状态信息从应用设备传到主机。当端点成功地 完成了被要求的操作时，回传的状态信息为“s u c c e s s ”。u s b 设各必须实现缺 省控制管道，并将它实现成一个消息管道。这个管道由u s b 系统软件使用。u s b 设备的确认信息、状态信息以及控制信息由该管道传递。如果需要的话，一个应 第二章u s b 总线技术 l l 用设备可以为端点实现额外的控制管道。 同步( i s o c h r o n o u s ) 传输类型是指在主机和设备之间的同步传输，典型的应用 于时间相关的连续的且具有固定速率的信息传输。这个传送类型也保留封装在数 据中的时间概念。同步传输能保证总线访问和固定的数据传输率以支持c t i ( c o m p u t e rt e l e p h o n yi n t e g r a t i o n ) 和音频系统等，它所需的带宽与所传输数据的 采样率有关。在非u s b 环境中，对于同步传输具有一般恒定速率的容错传输。在 u s b 环境中，对于请求同步传输类型的请求这应提供： 在限定的时间内保证访问u s b 的带宽； 在数据提供给管道的时间内，保证数据以恒定速率通过管道； 由于错误引起的传送失败的情况，不重新进行数据传送。 中断( i n t e r r u p t ) 传输类型指小数据、非周期、低频率、限定的服务周期的从设 备开始的通信，应用于告知主机设备需要服务。中断传输支持像游戏棒、鼠标和 键盘之类的人机输入设备与主机的通信。这些设备需不经常地传送少量随机数据， 如果事件告知信号、输入字符或坐标等，它们应以不低于u s b 设备所期望的速率 进行传输。对这类传送的要求是：必须保证管道的最大服务周期；因总线错误而 传送失败的情况下，将在下一个周期重试。 批量( b u l k ) 传输类型是非周期的大量突发数据的通信，典型的应用于能使 用任何有效带宽且允许延迟到带宽有效时再传输数据的通信。批量传输通常用于 发送大量数据，而分配给批量传输的带宽必须保证可以使用，不能被其它数据传 输类型所占用。它是为打印机、扫描仪和数码相机之类的设备设计的，当总线带 宽变得有效时，这些设备传送大量数据给主机。批量传输支持在高度可变的时间 内需要相当大数据量的数据的设备的通信。对这类传输的要求是：基于带宽有效 来访问u s b ；因总线错误导致传送失败的情况将重新发送；保证数据的传送，但 不保证带宽或同步时间。 u s b 采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求，则拒 绝进入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率 传送。集中和控制终端按可用的展佳带宽来传输数据。但是，1 0 的带宽为批量处 理和控制传送而保留，数据批量传输仅在带宽满足要求的情况下才会出现。 2 4u s b 总线的枚举 当一个u s b 设备被挂接到总线上时，u s b 通过枚举过程识别和管理新加入的 设备。这个过程使得u s b 设备是“热即插即用”。 在u s b 枚举阶段，设各状态可分为：接入态、供电态、缺省态、地址态、配 置态、和挂起态。其具体过程如下： 1 2 基于u s b 的高速数据采集系统设计 设备连接到h u b 或根h u b 的下行端口上。接着h u b 就通过其状态变化管 道把这个连接的事件通知主机。这时，设备所连接的端口上有电流供应，但是该 端口的其他属性被禁止，以便主机进行其他操作。设备的这个状态便是接入态。 主机通过一系列命令来询问h u b ，已确定设计连接的时间的细节情况。 通过以上两步，主机便确定了设备所接入的端口。接下来，主机会等待 1 0 0 m s 以使设备的接入过程顺利完成并使供电稳定。紧接着，主机便激活该端口， 并发送复位的命令。设备处于低电流供电态和接入态复合的状态。 h u b 在设备接入的端口上保持复位命令1 0 0 m s 。然后，该端口就处于被激 活的状态。这时，设备处于缺省态，可以从端口上获取最高达1 0 0 m a 的电流。设 备的所有寄存器等均以复位，并通过地址0 与主机通信。 主机获取设备描述符，获得缺省管道的最大数据长度等一系列信息。 主机给设备分配一个总线上唯地址，使设备进入地址态。因此，在以后 的各种数据传输中，设备就将使用这个新的地址。 主机获取所有设备的配置描述符。 在得到到配置描述符等一系列信息后，主机就给该设备分配配置值。这样， 设备就完成了配置，并处于配置态。所有接口和端点的属性也得到了主机的确认。 接下来，设备就可以从端口上获取其要求的最大电流数。也就是说，这个u s b 已 经可以开始使用了。 图2 4 设备状态间的转换图 第二章u s b 总线技术1 3 u s b 2 0 要求高速设备必须能在全速模式下枚举。事实上，所有的高速设各都 是在全速模式下枚举的。只有当主机和u s b 设备都同意在高速模式时，u s b 设备 才会转到高速模式下运行。 当连接到一个支持全速模式的u s b 主机时，u s b 设备会枚举为一个全速设备。 当连接到一个支持高速主机时，u s b 设备会枚举为一个高速设备并自动的转换到 高速模式运行。 第三章数据采集系统设计 第三章数据采集系统设计 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量后，再进行存储、 处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 3 1u s b 数据采集系统的性能指标 该基于u s b 总线的数据采集系统的基本性能指标如下： ( 1 ) 接口方式：u s b 总线( 支持u s b 2 0 接口标准，可热插拔、即插即用) ( 2 ) 输入通道：8 个通道( 可进行1 4 8 个模拟通道的选择) ： ( 3 ) 测量信号：工业现场各类传感器的输出电压、电流信号； ( 4 ) 输入范围：o v 2 v ( 外部电源为3 3 v ) ； ( 5 ) 输入频率：2 0 0 k h z ； ( 6 ) 采样率：2 m s p s ； ( 7 ) a d 分辨率：8 b i t 。 3 2u s b 数据采集系统设计 本数据采集系统的要求如下：用户通过主机端的应用软件下载u s b 固件代码， 并向采集系统发出读写命令以及相应的对a d 的设置数据；采集系统收到命令后， 根据所接收的设置开始对外部的模拟信号进行a 仍变换，转换后的数据由u s b 传 输至计算机，计算机收到数据后可对数据进行储存、处理和显示。 3 2 1 硬件系统构成 本数据采集系统的硬件模块主要由以下几部份组成：u s b 控制器、c p l d 、a d 模数转换芯片、电源模块和信号输入处理电路。u s b 控制器采用e z u s bf x 2 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片。该控制器包含智能串行接口引擎，能执行所有基本的u s b 功能， 将嵌入式m c u 解放出来，用于实现专用的功能，此外它还包含通用可编程接口， 可与外部设备进行结合，支持所有通用总线标准，并包含u s b 收发器、高速锁相 环路、片上r a m 和f i f o 存储器。这些在一定程度上简化了硬件设计，缩小了数据 采集系统的体积，降低了成本。 1 6 基于u s b 的高速数据采集系统设计 p c 刳：翠肾 o丧 静l - q 一魍澈模块l 一 图3 1 硬件系统框图 整个硬件系统围绕着u s b 芯片进行，由u s b 芯片作为整个硬件系统的中央处理 器，一方面控* i j c p l o 对d 的模数转换，另一方面对转换的数据进行处理后规范 为u s b 2 0 协议规定的数据包格式发送给主机。 c p l d 主要是接收由f x 2 所发出的控制命令和设置数据，并以此对模数转换器 进行时序控制及对转换数据的接收和发送。 模数转换器将模拟信号转换为数字信号，通过c p l d 将数据以g p i f 方式送给 u s b 芯片，再由u s b 芯片通过u s b 接口发送给主机。 电源采用u s b 总线供电方式，并通过个电压转换芯片来完成对f x 2 、c p l d 和a d 等的供电要求。 信号输入处理电路主要是对所输入的电压或电流模拟信号进行处理，以便调 整至i j a d 的输入电压范围之内。 3 2 2 软件系统构成 u s b 应用系统软件设计分为三部分：u s b 设备固件( f i r m w a r e ) 程序、主机操 作系统上的设备驱动程序以及主机应用软件。整个软件系统的组成如图3 2 所示。 图3 2 软件系统组成 第三章数据采集系统设计1 7 设备固件主要完成对u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 、a d 转换以及整个电路的初始化； 将采集的数据送入c y 7 c 6 8 0 1 3 的缓冲区发给主机：接收并执行主机指令等。 设备驱动程序是用户与底层硬件之间的桥梁，采用w d m ( w i n d o w sd r i v e r m o d e l ) 模型，以d d k ( d e v i c ed r i v e rd e v e l o p e r sk i t ) 为开发工具，以i r p ( f o r e q u e s tp a c k a g e ) 为消息传递载体，依据用户程序发出的a p i 函数为命令请求，向 u s b d 接口发送u r b ( u s br e q u e s tb l o c k ) ，完成底层采集板与w i n d o w s 系统之间 的通信。 主机应用软件通过设备驱动程序与系统u s b d i ( u s bd e v i c ei n t e r f a c e ) 进行通 信，对采集的数据进行存储、处理、显示或打印，以及控制指令的下放。 第四章硬件设计与实现 第四章硬件设计与实现 本章将结合具体的芯片，介绍了u s b 接口的数据采集系统的硬件设计。硬件 系统的设计以e z u s bf x 2 控制器为核心，包括e z - u s bf x 2 接口的硬件电路 ( e z u s bf x 2 芯片和p c 机的接口电路、电源模块) 、数据采集电路、控制电路 几部分。由e z u s bf x 2 控制器经c p l d 控制电路实现对a 转换器的控制；模 拟信号输入a d 转换器，经转换后将8 位数据送到e z u s bf x 2 控制器端点缓冲 区中，由主机取出数据。整个系统框图如图4 1 所示。 | 澎一l 忑b a n u s b , t - - , xf x 2 菘撑l 窀依ql 一 车幸换 接口 、r 一 及舞磴蠛 、r 一 嘏鼯 、r ， 蹄 溅 4 1 1c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片 图4 1 系统原理图 4 1 芯片介绍 u s b 协议的复杂性意味着u s b 外设必须具有智能。控制芯片必须知道如何检 测并对u s b 端口的事件做出反应，它必须为设备控制提供存储要发送的数据和获 得已经接受到的数据的一种方法。对于工程设计来说，芯片的选择取决于芯片要 执行的功能、费用和开发的简单性以及数据传输的速度等方面。对于数据采集系 统的设计，要考虑的主要是a d 转换器的采样速率，u s b 控制器的数据传输速率 和价格等。 由c y p r e s s n ”公司推出的带智能u s b 接口的e z - u s b f x 2 u s b 2 0 “”2 1 控制 芯片，包含智能串行接口引擎，能执行所有基本的u s b 功能，将嵌入式m c u 解 放出来，用于实现专用的功能。其具有的功能强大的u s b 内核，可以代替u s b 外 设开发者完成u s b 协议中规定的8 0 - - 9 0 的通信工作，这使得开发者可以不必 关心u s b 协议实现的细节从而顺利地开发出所需要的u s b 外设。因此最终选择 c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片，从数据传输速度、价格和开发难度 等方面考虑都是比较合理的。 1 c y 7 c 6 8 0 1 3 的优点 2 0基于u s b 的高速数据采集系统设计 设计中，我们选用的u s b 接口芯片是e z u s bf x 2 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片。 该芯片是针对u s b 2 0 的，而且和u s b l 1 兼容，它支持两种传输速率：全速 ( f u l l _ s p e e d ) 1 2 m b p s 和高速( h i g