（计算机应用技术专业论文）电子血压计的usb接口设计.pdf

摘要 血压是生命体征之一，准确的血压测量具有重要的临床意义。 一般的电子血压计并没有提供合适的接口与其它设备进行数据交 换，这不便于对人的血压进行长时间的动态监测。 u s b 总线是至今为止最成功的p c 外设接口。它有着传输速率 快，传输类型多，连接简单方便特点。电子血压计需传输的控制和 测量数据不多，u s b 系统可提供足够的带宽来满足电子血压计所需 的数据传输要求。为电子血压计设计u s b 接口可以实现对电子血压 计的计算机控制，在此基础上容易实现病人生理信息的计算机管 理。 本系统使用u s b 块传输进行电子血压计与计算机之间的通信， 通过采样分析l c d 上的驱动信号来得到电子血压计的测量结果。利 用l c d 公共电极驱动信号的联系，使用m a x l 0 3 8 采样公共电极找到 同步点，再逐行采样所有的段电极，得出l c d 各段的选择信息，从 而分析得出其上的显示信息。本系统电路形式简单，使用经过修改 和配置的r t x 5 1 进行任务切换和系统定时，在a n 2 1 3 1 上运行能满足 逐行处理的时间要求。由于l c d 驱动电路驱动能力较强，本系统在 工作中抗干扰能力较强，极少出现显示信息判断不准确的情况。系 统通过分析最近几次采样得到的数据来滤除这些偶然出现的不准确 的采样结果。 关键词u s b ，l c d ，m a x l 0 3 8 ，r t x 5 1 ，同步采样 a b s t r a c t b l o o dp r e s s u r e ( b p ) c o n s t i t u t e so n eo ft h ep r i n c i p a lv i t a l s i g n s a d e q u a t eb l o o dp r e s s u r ei se s s e n t i a lt om a i n t a i nt h eb l o o ds u p p l ya n d f u n c t i o no fv i t a lo r g a n s m e a s u r e m e n to fb l o o dp r e s s u r ei st h e r e f o r ea k e y p a r to ft h em o n i t o r i n go fp a t i e n t sd u r i n ga n a e s t h e s i aa n dc r i t i c a lc a r e g e n e r a le l e c t r o n i c s p h y g m o m a n o m e t e rd o e s n o tp r o v i d e a p p r o p r i a t e i n t e r f a c e st oe x c h a n g ed a t aw i t ho t h e rd e v i c e s i ti sn o te a s yt op e r f o r m a m b u l a t o r yb l o o dp r e s s u r em o n i t o r i n g u s bi st h em o s ts u c c e s s f u lp c p e r i p h e r a li n t e r c o n n e c te v e rd e f i n e d u s bi se a s yt ou s e i tp r o v i d e sf o u rt y p e so fd a t at r a n s f e r sa n df e a t u r e s f a s tt r a n s f e rr a t e t h ea m o u n to fd a t ar a t et h a te l e c t r o n i c s p h y g m o m a n o m e t e rr e q u i r e sf o rc o n t r o la n dm e a s u r e m e n tr e s u l t si ss m a l l u s bi sa b l et op r o v i d ee n o u g hb a n d w i d t ht om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e e l e c t r o n i cs p h y g m o m a n o m e t e r e l e c t r o n i cs p h y g m o m a n o m e t e rw i t ha n u s bi n t e r f a c ec a nb eu s e dt oi m p l e m e n tc o m p u t e rc o n t r o l ，f u r t h e rm o r e ， i tc a nb ei m p l e m e n t e de a s i l yt om a n a g ep a t i e n tp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n u s i n gc o m p u t e r s c o m p u t e ra n de l e c t r o n i cs p h y g m o m a n o m e t e rc o m m u n i c a t ei nu s b b u l kd a t at r a n s f e r t h es y s t e ms a m p l e st h ee l e c t r o d e so fl c dt og e tt h e d r i v i n gs i g n a l ，a n da n a l y s e si tt og e tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s t h e r ea r e r e l a t i o n sa m o n gw a v e f o r m so nf o u rc o m m o ne l e c t r o d e s t h es y s t e mu s e s m a x10 38t o s a m p l ec o m m o ne l e c t r o d e so ft h es e g m e n tl c da n d s y n c h r o n i z e si t so p e r a t i o n sw i t ht h ew o r ko fs e g m e n tl c dd r i v e r a f t e r t h a t ，t h es y s t e ms a m p l e sa l lo ft h es e g m e n te l e c t r o d e so ft h el c d ， c o l l e c t si n f o r m a t i o na b o u tt h es e g m e n ti ss e l e c t e do rn o t ，a n dg e t st h e i n f o r m a t i o nd i s p l a y e do nt h el c d t h es y s t e mf e a t u r e sas i m p l ec i r c u i t r y t h es y s t e mm o d i f i e sa n dc o n f i g u r e sr t x 51f o rt a s ks c h e d u l i n ga n d s y s t e mt i m i n g w h e nt h ec o d ei sr u n n i n gi na n 2 131 ，t h es y s t e mc a nm e e t t h et i m i n gr e q u i r e m e n tt oc a r r yo u tl i n eb yl i n ep e r f o r m a n c e s i n c et h e l c dd r i v e rd r i v e ss t r o n g l y , t h es y s t e mr u n n i n gi nap e r f e c ts t a t ew i t h v e r yf e wi n t e r f e r e n c e v e 呵f e wm i s t a k e sh a p p e na n da r ei g n o r e db y n c o m p a r i n gt h el a t e s ts e v e r a lm e a s u r e m e n t r e s u l t s k e yw o r d su s b ，l c d ，m a x 10 3 8 ，r t x 51 ，s y n c h r o n o u ss a m p l i n g 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名 日期：坦# 年羔月竺日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名导师签 期：绰年上月兰日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 血压是指血液循环时作用于血管壁的压力，为生命体征之一。血压这一术 语一般是指动脉血压，即大动脉血压。最常用的测压工具是血压计，它根据水 银柱的高度来反映血液循环时所产生的压力。现在常见的血压计有水银柱式血 压计、电子血压计和气压表式血压计三种。虽然现在的很多血压测量器具已不 再使用水银，但毫米汞柱( m m h g ) 依然是世界通用的测压单位。测量结果包括 两个部分：收缩压和舒张压。健康成人静息时的典型血压约为收缩压1 2 0 m m h g ， 舒张压8 0 m m h g 。血压值并不是静止不变的，一天之间不同时刻( 生理节律) ， 每一次心跳，血压都会有所变化。紧张、营养因素、药物或疾病等也会导致血 压变化。血压超出正常为高血压，血压低于正常值则为低血压。 血压计常常用于各种场合，包括门诊、病房、社区等分布范围较分散的场 合，这些使用场合要求血压计便于携带。血压是生命体征之一，是重症病人监 护的重要监护指标。准确、及时地监测血压，对于了解病情、诊断疾病、指导 心血管治疗和保障危重病人安全极为重要心1 。对重症病人进行监护需要较长时 间较高频率对病人的血压进行测量，记录测量结果并进行分析处理。 一般的电子血压计没有提供接口与其它设备进行数据交换，对电子血压计 的操作是通过一些按钮进行的。电子血压计内部提供的用于记忆历史测量值的 容量有限，且记录值包含的内容不多，有的仅包含脉搏、收缩压和舒张压，缺 少测量时间等有重要意义的数据。如果给电子血压计提供一个能与计算机进行 数据交换的接口，计算机就可以通过接口控制电子血压计，并能通过接口获取 电子血压计的测量结果。这样，计算机就可以通过程序实现对电子血压计的自 动控制，还可以通过程序获得更多的有意义的数据。 电子血压计的测量结果是在l c d 屏上显示出来的。在无法通过其它手段得到 电子血压计的测量结果的情况下，要得至u l c d 显示屏上的信息可以分析电子血压 计上l c d 屏的驱动信息来得至u l c d 屏上的显示信息。电子血压计上l c d 屏的驱动信 息可通过采样实现。电子血压计上的l c d 通常是笔段式的l c d ，一般采用时间分 割驱动法n - 引。采用时间分割驱动法的l c d 的笔段是按行列来排布的，驱动电平 只有有限几个，在驱动信号的一个帧周期内，依次扫描所有的行，并在扫描某 一行的过程中，提供该行的所有列上的笔段的显示信息。从笔段式l c d 驱动信号 硕士学位论文第一章绪论 的这些特点可以看出，不需要很高的采样精度和很快的采样速率，可以采样得 到笔段式l c d 的驱动波形。因而，分析电子血压计上l c d 屏的驱动信息来得至t j l c d 屏上的显示信息是可行的。 u s b 接口是一种应用在计算机领域的新型接口技术，最早是由c o m p a q 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司提出来的，其目的是使用u s b 来取代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。它的出 现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更加容易。可以 说，u s b 是计算机外设连接技术的重大变革瞄1 。 起初，u s b 提供两种外设可使用的传输速率1 2 m b s 和1 5 m b s 。当p c 机功能 越来越强大，能够处理更多的数据时，用户需要在p c 机和外设间传输越来越多 的数据。2 0 0 0 年定义的u s b 2 0 协议在保持向后兼容的基础上提供了第三种传输 速率4 8 0 m b s 。2 0 0 5 年引入了无线u s b 技术。现在，随着技术的发展，多媒体设 备、大容量的价廉的存储设备涌入人们的视野。这些设备需要更大的总线带宽 来传输大量的数据。u s b 3 0 增加了一种更高速率的传输速率来为这些大数据 量、高传输速率的应用提供解决方案m 1 。 现在，u s b 已经成为一个标准接口，目前市场上出售的所有p c 机都完全支持 u s b ，使用u s b 接口的外设也越来越多。这些外设一般比较轻巧，便于携带，与 计算机的连接断开简单方便。为电子血压计设计u s b 接口，保持了血压计的轻便 的特点，用户通过计算机可以对电子血压计进行操作以及收集电子血压计的测 量结果，在长时间监测的情况下可实现对电子血压计的自动控制。各种数据的 采集和分析都可进行自动处理，从而实现对被观察对象血压的动态监测。 1 2 设计目标 本文涉及的电子血压计的u s b 接口设计是包含了硬件和软件的专用系统。使 用u s b 作为电子血压计的接口，保持了电子血压计的体积小，操作简便的特点。 本方案在研究u s b 总线协议规范和通信原理的基础上，采用c y p r e s s 公司生产的 e z - u s b 功能设备芯片a n 2 1 3 1 q c 作为主控芯片，获取电子血压计的测量数据，并 在主机和设备之间进行数据传输。 本课题的主要内容包括： 1 研究u s b 总线协议规范。 2 采用c y p r e s s 公司的u s b 芯片a n 2 1 3 1 为主控芯片进行u s b 接口硬件电路的 设计。 3 进行固件程序、驱动程序及i n f 文件设计和客户应用程序设计。 4 调试设备，并对测试结果进行分析处理。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第章为绪论。简要介绍了课题提出的背景，课题的设计目标和要进行的 工作。 第二章为相关理论基础。主要介绍了与课题有关的u s b 协议规范、笔段式 l c d 显示原理、数据采集理论和1 2 c 总线协议规范。 第三章为系统总体功能规划。简要介绍了系统的总体设计方案，分硬件规 划和软件规划两部分进行介绍。 第四章为系统的硬件设计。详细论述了系统的硬件设计。 第五章为系统的软件设计。详细论述了系统的软件设计。包括功能层通信 的设计和u s b 设备固件、u s b 主机客户软件的设计。 第六章为总结和展望。总结了本文所作的工作，并对该课题进一步的工作 进行了说明。 3 硕士学位论文第二章相关理论基础 2 1u s b 协议简介 第二章相关理论基础 u s b 是一种应用在计算机领域的新型接口技术，最早是由c o m p a q 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的，其目的是使用u s b 来取代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 。它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使p c 机接口的扩 展变得更加容易。可以说，u s b 是计算机外设连接技术的重大变革。 2 1 1u s b 系统的分层 在最终用户眼里，u s b 系统由两部分组成：u s b 主机和u s b 设备。一个或多个 u s b 设备连接在一个u s b 主机上，如图2 - 1 。 图2 - 1u s b 系统简图 如图2 2 所示，对开发人员来说，这种连接可被分为三个逻辑层：功能层、 u s b 设备层和u s b 总线接口层，且每一层都由u s b 主机s d u s b 设备的不同功能模块 组成。 主机互联u s b 物理设备 l 客户软件 l。l i 功能单元l 功能层 jiij + l + 恒銮件i iu s b 逻辑设备l u s 研乏备层 t l + j u s b 制 iu s 瞄线接口j u s b 总线接口 屡 实际通信漉逻辑通信漉 图2 - 2u s b 系统的分层 4 硕士学位论文第二章相关理论基础 一台主机与一个u s b 设备间的连接是由许多层上的连接组成。u s b 总线接口 层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对 u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的一般的 u s b 操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。 u s b 设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由 u s b 总线接口层来完成。 从逻辑上看，客户软件通过一组管道来与u s b 设备的功能单元进行通信； u s b 系统软件和u s b 逻辑设备之间的通信是通过缺省控制管道0 实现的；所有实际 的u s b 数据传输都是由主机和u s b 设备的s i e 来完成。对u s b 系统的分层结构的更 详细的描述见图2 - 3 。 管道：两个水平实体之间连接的抽象 数据传递机制 被传递的数据的与u s b 相关的形式 图2 - 3u s b 系统的详细描述 帧 硕士学位论文第二章相关理论基础 功能层负责实现u s b 设备的特定功能，如传输照片、打印文档等。该层不 了解u s b 的串行传输机制，只知道应和u s 8 设备传输哪些数据，它由主机方的 客户软件和设备方的功能单元组成。功能单元是客户软件对u s b 设备的抽象， 且被看作是接口的集合。客户软件只需与功能单元通信，但它不能直接访问功 能单元，它需要调用u s b 系统软件与u s b 设备进行通信。 u s b 设备层实现了主机和u s b 设备问的配置通信，为u s b 设备分配地址、 读取其配置描述符等。该层了解u s b 通信机制和功能层所要求的传输特性，它 由主机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑设备组成。u s b 逻辑设备是u s b 系统软件对u s b 设备的抽象，它被看作是端点的集合。u s b 设备是一层次星型 的总线拓扑结构来连接的；但在主机看来，其与每一u s b 设备的通信就像是它 们直接连接在根集线器上一样，不需要功能层的干预，但实际的数据传输仍是 由u s b 总线接口层完成的。 u s b 总线接口层实现了主机和u s b 设备问数据的实际传输，它由主机方的 u s b 主控制器( 包括根集线器) 和设备方的u s b 总线接口两部分组成。 2 1 2t l s b 主机 u s b 主机通过主机控制器和u s b 设备相互作用，它检测u s b 设备的连接和 断丌，管理主机和u s b 设备问的控制通信流，管理主机和u s b 设备间的数据通 信流，收集总线状态和总线活动信息，控制u s b 主机控制器和u s b 设备间的电 气接口。 u s b 系统中只允许有一个主机，它为u s b 设备提供了连接起点，并实现数 据的传输，u s b 主机可被划分为3 个功能模块：客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口。 客户软件( c l i e n ts o f t w a r e ) 由u s b 设备的提供者或者操作系统提供，负责 和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现u s b 设备的特定功能。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通过u s b 系统软件和u s b 总线 接口才能实现。客户软件一般包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两部分。 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，也可能是接收u s b 数据中的数据。u s b 设备驱动程序并不知道u s b 的串行传输机制。界面应用程序负责和u s b 设备驱动程序接口，以操纵u s b 设 备，并向用户提供可视化的操作。 u s b 系统软件( u s bs y s t e ms o f t w a r e ) 用于在特定的操作系统中支持 u s b ，它由操作系统提供，与具体的u s b 设备无关，也独立于客户软件，其负责 6 硕士学位论文第二章相关理论基础 和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的u s b 数据传输。系统软 件一般包括u s b 总线驱动程序u s b d ( u s bd r i v e r ) 、u s b 主控制器驱动程序 h c d ( h o s tc o n t r o ll e rd r i v e r ) 和非u s b 主机软件三部分。其中u s b 总线驱动程 序为客户软件提供了通信接口u s b d i ，它们之间通过i o 请求包( i r p ) 进 行数据传输；u s b 主控制器驱动程序的存在使得客户软件在进行u s b 数据传输 时不必知道主控制器的具体实现细节；h c d 和u s b d 以特定的方式协同工作，简 化了客户软件与u s b 功能单元间的通信，它们之间的接口称为主控制器驱动程 序接口( h c d i ) ，它不能被客户软件直接访问。 u s b 总线接口包括u s b 主控制器和根集线器( r o o t h u b ) 两部分。其中根集 线器为u s b 系统提供连接起点，u s b 主控制器负责完成主机和u s b 设备间数据 的实际传输。u s b 总线接口与u s b 系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实 现。其中主控制器负责读取主控制器驱动程序h c d 建立的事务处理列表，并将 它们安排在一系列长度为lm s 的帧( 全速传输) 或1 2 5l ls 的小帧( 高速传输) 中 发送到u s b 总线上：根集线器同其他集线器一样，为主机提供附加的u s b 端口， 但是根集线器被集成在u s b 主控制器内部，h c d 对其访问时不需要产生事务处 理。 2 1 3u s b 设备 一个u s b 设备由三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能单 元。u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s i e ) ，u s b 逻辑设备被u s b 系 统软件看作是一个端点的集合，功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。 其中，s i e 、端点和接口都是u s b 设备的组成单元。 为了正确描述u s b 设备的特性，u s b 提出了设备架构的概念设备架构认为 u s b 设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个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。其中，配置和接口是对u s b 设备功能的抽象，实际的数据传输是由端点 来完成。在使用u s b 设备前，必须指明采用哪个配置和接口。 u s b 设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述 符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符，它们通常保存在u s b 接口芯片 的固件中。下面对u s b 设备架构的各个组成单元进行简单介绍。 1 设备 设备代表一个u s b 设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明 设备的总体信息，并指出其所含配置的个数。一个u s b 设备只能有一个设备描 述符。 7 硕士学位论文第二章相关理论基础 2 配置 一个u s b 设备可以包含一个或多个配置，如u s b 配置的低功耗模式和高功 耗模式就可分别对应一个配置。在使用u s b 设备前，必须为其选择一个合适的 配置。配置描述符用于说明u s b 设备中的各个配置的特性，如配置所含接口的 个数等。u s b 设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。 3 接口 一个配置可以包含一个或多个接口。接口是一个端点的集合，可以包含一 个或多个可替换设置。接口描述符用于说明u s b 设备中各个接口的特性。u s b 设备的每一个接口都必须有一个接口描述符。 4 端点 端点是u s b 设备中的实际物理单元，u s b 数据传输就是在主机和u s b 设备 的各个端点之间进行的。端点由u s b 接口芯片提供。u s b 设备中的每个端点都 有惟一的端点号，各个端点所支持的数据传输方向也是确定的：i n 或o u t 。根据 端点号的不同，可将其分为o 号端点和非o 号端点两个类型。 0 号端点比较特殊，有i n 和o u t 两个物理单元，但只有一个端点号0 ，且 只能支持控制传输。所有的u s b 设备都必须含有一个0 号端点，用作缺省控制 管道。u s b 系统软件就是使用该管道和u s b 逻辑设备进行配置通信的。根据具 体应用的需要，u s b 设备还可含有多个除0 号端点以外的其他端点。 u s b 系统中的数据传输可以认为是在主机软件( u s b 系统软件或客户软件) 和 u s b 设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连接称为管道，如图2 4 。图 中管道用于客户软件和u s b 设备的功能单元之间进行通信，它们是在u s b 设备 的配置过程中建立的，在配置完成后，客户软件就可以使用它们了。管道是对 主机和u s b 设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和u s b 设备的端点 之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由u s b 总线接口完成的。 图2 - 4i j s b 通信流与u s b 管道 管道和u s b 设备中的端点一一对应。一个u s b 设备含有多少个端点，其和 主机进行通信时就可使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输 类型。无论存在多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。 8 硕士学位论文第二章相关理论基础 按管道中所传输数据结构的不同，可将其分为流管道和消息管道两种类型。流 管道中传输的数据不具有u s b 定义的格式，可用于块传输、同步传输和中断传 输，通常是单向的。消息管道中传输的数据具有u s b 定义的格式。只能用于控 制传输，通常是双向的。u s b 设备o 号端点所实现的缺省控制管道就是一条消 息管道。 u s b 采用u s b 标准描述符说明一个u s b 设备，这些描述符包括设备描述 符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。对于高速设备还 包括设备限定描述符和其他速率配置描述符。设备类和供应商也可以自己定义 其设备专用描述符，分别称为设备类定义描述符和供应商自定义描述符。 1 设备描述符( d e v i c ed e s c r i p t o r ) 用于指出u s b 设备的总体信息，其内 容对该设备中同一传输模式下的所有配置都有效。一个设备只能有一个设备描 述符。 2 配置描述符( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 为u s b 设备的配置指出其配置 信息。u s b 设备的一个配置可以包含一个或者多个接口，且每个接口都可以相 互独立工作，所有的u s b 设备都至少支持一个配置描述符，每个配置都必须有 自己的配置描述符。当主机请求配置描述符时，其所有相关的接口描述符和端 点描述符都将被返回。 3 接口描述符( i n t e r f a c ed e s c r i p t o r ) 用于指定u s b 设备中各个接口的特 性，设备的每个接口都必须有一个描述符。u s b 设备的接口是一个端点的集 合，负责完成设备的特定功能，接口可以包含一个或者多个可替换设置，它们 能够在u s b 设各处于配置状态时，改变当前接口所含端点的个数和特性。u s b 设备同一配置的各个接口间不能使用相同的端点，但是同一接口的各个可替换 配置间可以使用相同的端点。 4 端点描述符( e n d p o i n td e s c r i p t o r ) 用于指出u s b 设备端点的特性，如 其所支持的传输类型、传输方向等信息。除端点0 外，u s b 设备的每个端点都 必须有一个端点描述符。 5 字符串描述符( s t r i n gd e s c r i p t o r ) 用于保存一些文本信息，它是可选 的。在u s b 设备的其他描述符中，可以含有指向字符串描述符的索引值。 6 设备限定描述符( d e v i c eo u a l i f i e rd e s c r i p t o r ) 只适用于高速u s b 设 备，如果高速u s b 设备既需要高速传输，又需要全速传输，则它必须支持设备 限定描述符，以指出另传输速率下该设备的总体信息。 7 其它速率配置描述符( o t h e rs p e e dc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 用于指 出高速设备在采用全速传输下的配置信息，其不能用于低全速u s b 设备，且主 机只有在成功读取u s b 设备的设备限定描述符后，它才会进一步发出 9 硕士学位论文第二章相关理论基础 g e t d e s c r i p t o r ( o t h e rs p e e dc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 请求。 u s b 使用总线枚举操作来管理u s b 设备的连接和断开。 1 u s b 设备的连接 当u s b 设备连接时，u s b 进行如下动作： ( 1 ) 该u s b 设备所连的集线器通过状态改变管道把这个事件通知主机。此 时，u s b 设备处于加电状态，它所连接的端口是禁止的； ( 2 ) 主机询问集线器确定准确的状态改变信息； ( 3 ) 主机得知新设备已连接后，等待至少l o o m s ，等插入过程完成，设备 电源供应稳定后，主机向该端口发送端口使能及复位命令； ( 4 ) 集线器执行所要求的复位该端口的过程。复位后，端口有效，这时 u s b 设备处于缺省状态，并且可以从总线上可以得到不大于l o o m a 的电流，可 使用缺省设备地址对管道0 的控制事务作出响应； ( 5 ) 主机给设备分配一个唯一的地址，设备进入地址状态； ( 6 ) 在u s b 设备接受地址之前，它的缺省控制管道仍可通过缺省地址访 问。主机读取设备描述符，确定设备缺省管道能支持的最大数据包长度； ( 7 ) 主机向设备读取u s b 设备的所有配置信息，该过程需花费几毫秒； ( 8 ) 主机根据u s b 设备的配置信息，如供应商i d ，产品i d ，为其选择一 个合适的u s b 设备驱动程序。在加载了u s b 设备驱动程序后，主机分配u s b 设 备一个配置值，此刻，u s b 设备处于已配置状态，该配置中所有的端口具有该 配置中所描述的特性，u s b 设备可以从总线上获取该配置描述符中所指出的最 大总线电流，从设备的角度而言，设备己经准备就绪。 2 u s b 设备的断开 当u s b 设备从其所连接的集线器断开时，该集线器同样会通知主机。断开 一个设备连接会禁止该设备所连接的端口。之后主机会发出g e t p o r t s t a t u s 请 求以了解详细信息，并处理该断开操作。在u s b 设备断丌后，其设备地址就可 以被其它新连接的u s b 设备使用。如果断开的是一个集线器，u s b 系统软件会 对该集线器连接的所有u s b 设备执行断开操作；如果断开的是一个复合设备， u s b 系统软件会对其内部的所有u s b 功能单元都执行断开操作。 u s b 定义了1 1 种标准u s b 设备请求，如g e t d e s c r i p t o r ，s e t i n t e r f a c e 等，其主要功能是完成u s b 设备的配置操作。表2 1 列出了u s b 定义的1 1 种标 准请求的请求号和功能。除了标准请求之外，设备类和供应商也可以定义自己 的专用请求：设备类定义请求和供应商自定义请求。不论是标准设备请求还是各 种自定义请求，它们都只能使用控制管道来进行传输。当u s b 设备接收到这些 控制请求后，应及时进行处理。 1 0 硕士学位论文 第二章相关理论基础 表2 - 1 标准u s b i 殳备请求 2 1 4t l s b 事务处理 u s b 事务处理是主机和u s b 设备间数据传输的基本单位，由一系列具有特 定格式的信息包组成，根据所含信息包的种类，可将一个事务处理分为三个阶 段：令牌阶段、数据阶段和握手阶段。如图2 - 5 所示： 令牌阶段 主 g d u s b 设备 数据阶段 图2 - 5 一个典型的事务处理 主咖t u s b 设备 1 令牌阶段：负责事务处理的开始并定义事务类型。 2 数据阶段：负责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。 3 握手阶段：用于报告事务处理的状态，以表明数据接收是否成功。 并不是所有的事务处理都必须具有这三个阶段，在某些具体情况下( 如数 据传输失败) ，事务处理也可能不包含数据包和握手包，但是所有事务处理都 必须以令牌包开始。 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位，包含有进行u s b 通信所需的全 部信息，由一系列字段组成，如同步字段( s y n c ) 、包标识字段( p i d ) 、地址 字段( a d d r ) 、端点字段( e n d p ) 、帧号字段、数据字段、c r c 字段。当数据 在u s b 总线上实际传输时，首先是数据的最低有效位( l s b ) ，然后是下一最低 有效位，最后是最高有效位( m s b ) 。信息包可分为令牌包、数据包和握手包。 主机和u s b 设备间的一次通信可能需使用多个事务处理。根据所含令牌包的种 硕十学位论文 第二章相黄理论基础 类，u s b 中的事务处理可分为7 种类型：i n 、o u t 、s e t u p 、s o f 、s p l i t 、p r e 和 p i n g 。 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 定义了四种传 输类型：控制传输、块传输、中断传输和同步传输，参见表22 。 袁2 2 s b 敷据传输类型 块传输适用于传输大量的、切对传输时间和传输速率均无要求的数据。当 u s b 总线带宽紧张时，块传输的传输速率低，传输时间也长：当u s b 总线空闲 时，块传输的传输速率高，传输时间短。块传输只能用于高速或全速u s b 蹬 备，但高速全速u s b 设蔷可以不支持块传输。 块事务处理一般包含令牌、数据和握手三个阶段，如图2 - 6 。 i “口m n 囤2 - 6 块事务格式 在某些情况下，如端点被停止、传输出错等，也可能用握手阶段柬代替数 据阶段，或彻底丢弃数据和握手阶段，产生只包含两个阶段或一个阶段的块事 务。块事务处理是单向的，或是i n ，或是o u t 。如果u s b 设备需要双向块传输 的话，则必须使用两个块端点且每个方向对应一个。高速u s b 设备还必须支 持p i n g 和n y e t 协议。所有的块事务将竞争使用相同的u s b 总线带宽，u s b 负 责平衡它们对总线的访问。 中断传输适用于传输少量或中量的、且对服务周期有要求的数据。u s b 为 硕士学位论文第二章相关理论基础 中断传输保留了总线带宽，以保证其能在规定的周期内得到服务，但其并不是 一直使用准确的传输速率。u s b 还采用差错控制和重试机制来确保中断传输的 正确性。中断传输可用于低速、全速或高速i j s b 设备，但u s b 设备可以不支持 中断传输。 中断事务处理包括i n 传输和o u t 传输，可具有令牌、数据和握手三个阶 段，如图2 7 。中断端点必须在其描述符中指明其所要求的服务周期。 _ i h口o s + 圈27 中断事务格式 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。 u s b 为同步传输保留了总线带宽，以保证其在每帧f b 帧中都能得到服务。即同 步传输将一直使用准确的传输速率，其传输时间是可以预测的。为确保数据传 输的及时，同步传输没有采用差错控制和重试机制，即不能保证每次传输都是 成功的。同步传输只能用于高速或全速u s b 设备，但高速全速u s b 设备可以不 支持同步传输。 同步事务处理是单向的，它包括i n 传输和o u t 传输，但只具有令牌和数据 阶段没有握手阶段，如图2 - 8 。 ii h 口g s b t 固2 8 同步传输格式 同步事务不使用任何握手包，对于发送方，不管数据接收是否成功，它总 是在每一帧，j 、帻中连续发送数据，且不会对前一帧小帧中出错的数据进行重 、卑中上 一 草审l 硕士学位论文 第二章相关理论基础 传；对于接受方，它可以判断出数据传输是否发生了错误，但不会向发送方返 回任何握手包。 控制传输适用于少量的、且对传输时间和传输速率均无要求，但必须保证 传输的数据。u s b 为控制传输保留了总线带宽，且主机u s b 系统软件可以为它 动态的调整其所需的帧小帧时间，确保其能被尽快传输。u s b 还采用差错控制 和重试机制来保证控制传输的正确。控制传输主要用于发送和接收与u s b 设备 的配置信息有关的数据，如设备地址、配置描述符等，但它也可用于传输其它 用途的数据。控制传输可用于低速、全速或高速设备，所有的u s b 设备都必须 支持控制传输。具体的说，任何u s b 设备都必须在其0 号端点的缺省管道中支 持控制传输，u s b 系统软件会使用该管道来访问u s b 设备的状态，并对其进行 配置。除0 号端点外，u s b 设备还可以拥有其它的控制端点。 控制传输至少包含两个事务处理阶段：建立阶段和状态阶段。一个控制传 输可能在建立和状态阶段中存在数据阶段，如图2 - 9 。 建立阶段数据阶段 厂 - - ，- - - - - - 1 删邮事务囤回回圈 b a t a odata!dataod a t a o t 捌孵务囤回回回回 建立阶段 状态阶段 ，_ 一l 1 ，一l _ 弋 无釜磊器嚣的s e t 要u p 喜( o 一) 搴 图2 - 9 控制读和控制写序列 建立阶段负责完成主机向u s b 设备发送控制请求，它们具有u s b 定义的格 式，该阶段由一个s e t u p 事务组成。s e t u p 事务在格式上类似于o u t 事务，但 是s e t u p 事务使用s e t u pp i d 而不是o u tp i d 。图2 一1 0 说明了s e t u p 事务的格 式。数据阶段是可选的，如果有的话，其将根据建立阶段指明的传输方向来传 输具有u s b 定义格式或设备类、供应商自定义格式的数据，该阶段包含一个或 多个i n o u t 事务。状态阶段由一个i n 事务或o u t 事务组成，其方向是前一阶 段数据流方向的相反方向，并且总是使用d a t a lp i d 。如果数据阶段由o u t 事 务组成，状态阶段就是一个i n 事务；如果控制传输没有数据阶段，那么控制传 输就由一个s e t u p 事务和一个i n 事务组成。可以看出，在一次控制传输中，既 要完成工n 事务又要完成o u t 事务，需要使用双向的消息管道。 1 4 章 硕士学位论文第二章相关理论基础 一i * 口u “ 图2 - 1o 控制持榆的s e t u p 事务格式 2 2 笔段式l c d 显示原理 液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃基板制成的薄形盒，呈平扳形。它 本身并不发光，靠调制外界光达到显示目的。它耗电低、体积小、显示信息量 大、无辐射。t n 型液晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件，常见的电子手 表、计算器、数字仪表等所用的液晶显示器大多是t n 型器件。其基本结构是将 涂有1 1 0 透明导电层的玻璃光刻上一定的透明电极图形，将这种带有透明导电 电极图形的前后两片玻璃基板央持上一层具有j 下介电各向异性的向列液晶材 料，四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。玻璃内表面涂有 一层定向层膜，并进行了定向处理在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但 由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之 间呈9 0 。扭曲。由于t n 型液晶显示器件中液晶分子在盒中的扭曲螺距远比可 见光波大得多，所以当沿一侧玻璃表而的液晶分子排列方向一致或j 下交的直线 偏振光射人后，其偏光方向在通过整个液晶层后会被扭曲g o 。由另- - 懊t j 射出， 因此这个液晶盒具有了在平行偏振片问可以遮光，而在诈交偏振片间可以透光 的功能。如果这时在液晶盒