（计算机应用技术专业论文）基于usb20多路高精度数据采集系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 数据采集技术是信息学科的一个重要分支，被广泛地运用在虚拟仪器、智能 仪器、信号处理等领域，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。而基于u s b 2 o 的数据采集系统，由于其高速度、即插即用等优点，己经逐步取代了传统总线的 数据采集卡陉1 。随着数据采集技术的不断发展，其采集精度变得尤为重要。基于此， 作者详细论述了基于u s b 2 0 的高精度数据采集系统的开发。 论文在分析研究u s b 技术的基础上，围绕设计目标，从整体方案、控制芯片 的选择、硬件系统分析与实现、基于u s b 的数据采集软件系统设计等方面阐述了 主要开展的设计研究工作，通过内置u s b 控制器的f x 2 系列单片机6 8 0 1 3 作为采 集系统的主控单元，内置2 4 位a d 转换器的单片机8 0 5 l f 3 5 0 作为数据采集单元， 实现了高精度的数据采集。重点对固件程序、u s b 设备驱动程序和上位机应用程序 的设计实现技术进行了深入论述，详细介绍了各模块程序的设计过程，并给出了 部分程序代码和流程图。 为验证所设计的采集系统是否能达到要求，论文最后对系统进行了测试和分 析，测试结果表明系统达到了低噪音、采集高精度的目标，为以后的进一步研究 奠定了一个坚实的基础。 关键词：u s b 2 0 ，数据采集，f x 2 ，固件程序，w d m 设备驱动 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 虹a ni m p o n a n tb r a n c ho fi n f o 加a t i o ns c i e n c c ，d a t aa c q u i s i t i o ni sw i d e l yu s e di nt h e f i l e do fv i r t u a li n s t m m e n t ，i n t e l l i g e n ti n s t l l j m e n t ，s i g l l a i p r o c e s s i n ga n ds oo n i t i sa b r i d g el i n k i n gf b rt h ep h y s i c a lc o m p u t e ra n dt h eo u t s i d ew o d d u l b e c a u s eo fi t s h i g h s p e e d ， p l u g a n d p l a ya d v a n t a g e s ， d a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nu s b 2 os y s t e m r e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lb u sd a t aa c q u i s i t i o nc a r dg r a d u a l l y 幢w i t hd e v e l o p m e n to fd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ， t h e a c c u r a c y0 fa c q u i s i t i o nh a sb e c o m ep a n i c u l a r l y i m p o r t a n t b a s e d o nt h i s ，t h ep a p e rd i s c u s s e si nd e t a i lt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m d e v e l o p m e n tb a s e do nu s b 2 oh i 9 1 1 p r e c i s i o n a c c 0 r d i n gt o t h ed e s i g i l i n gr e q u i r e m eo fp r o j e c t ，t h ep a p e rd i s c l l s s 锄dc o n f i 册t h e w h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e mo nt h eb a s i so fs t u d yo nu s bp r o t o c o l ，a sw e l la st h e k e yi s s u e so fs e l e c t i o no fc o n t r o lc h i p ，h a r d w a r ea n a l y s i s 观di m p l e m e n t a t i o n ，s o 胁a r e s y s t e md e s i 印i n go fu s b b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n t h r o u g ht h e 2s e r i e sm c u6 8 0 1 3 t h a tb u i l d - i nu s bc o n t r o l l e ra sam a i nc o n t r o lu n i t ，a i l dt h em c s 8 0 5 1 f 3 5 0t h a tb u i l t i n 2 4 - b i ta dc o n v c r t e r sa sad a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，t h ed a t aa c q u j s i t i o ns y s t e mm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fah i g l l p r e c i s i o n t h ea u t h o rp u tt h ee m t h a s i so nt h ed e t a i l e dd e s i 鲫o f t h ef i m w a r ep r o g r a m ，t h eu s bd e v i c ed r i v e rp r o g r a ma n dp ca p p l i c a t i o np r o g r 锄，t 0 a c h i e v ea ni n - d e p t he x p o s i t i o no ft h ed e t a i l e dp r o c e d u r e sf o re a c hm o d u l ed e s i j 珥 p r o c e s s ，锄d 酉v e ss o m eo ft h ep r o c e d u r e sc o d ea n dd i a 伊a m s t be v a l u a t ep e 怕m l a n c eo ft h es y s t e m ，w ed os o m ep r a c t i c a lt e s ta i l da n a l v s i sa n dt h e t e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h es y s t e ma c h i e v et h et a r g e to fl o w - n o i s e ，h i 曲p r e c i s i o n a c q u i s i t i o n ，f b rf i l n h e rs t u d yl a y i n gas o l i df b u n d a t i o n k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，以2 ，d a t aa c q u i s j t i o n ，f i 皿w a 北p r 0 伊a m ，w d md e v i c ed 五v c r 湖班j 棠大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：誓泓荔 日期巾，年厂月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期：肿岁月 指导教师签名：b 胃分 日期：如多年f 月罗口日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 数据采集系统概述 第1 章引言 数据采集技术是以传感器、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，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等。它 是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、 生物量等) 通过各种传感元件做适当转换，即图1 1 所示的数据采集终端模块，再 经信息转换模块将模拟信号转换为所需的数字信号，然后通过数据处理模块将转 换出来的大量数据信息进行处理，如并行数据转换为串行数据、数据缓存等，最 后由通讯接口电路将数据送到上位机进行分析或存储记录的过程口1 。如图1 1 所示。 图1 1 数据采集过程图 数据采集系统追求的最主要目标有两个：二是精度；二是速度。对任何量的 测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不 仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动 态测试。 目前，比较通用的是在p c 或工控机内安装数据采集板卡。数据采集板卡同计 算机外设一样，与主机的通讯接口一般是基于p c 上的r s 2 3 2 总线、r s 4 8 4 总 线、i s a 总线、p c i 总线、并口等，如表1 1 所示。 p c i 总线虽然具有较高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) ，支持热插拔，但其缺点是插拔 麻烦，而且在所能连接设备的数量上，由于p c 机扩展槽一般为5 、6 个，因此最 多也只能有5 、6 个p c i 数据采集卡同时用在一台微机上。并且p c i 插槽占用主板 相当大的空间，这也不利于微机系统的小型化，尤其对于需要进行野外现场数据 采集的情况，如果带p c 机或者工控机去现场工作显然很不方便。而且打开电脑在 湖北工业大学硕士学位论文 里面插入如此大的p c i 设备也比较麻烦，同时受到p c i 插槽的限制，能应用的设 备数量也很少。对于i s a 总线来说，显然存在同样的问题。r s 2 3 2 c 串行总线虽 然连结简单，但其传输速度慢，只有5 6 k b p s ；主机的串口数目也十分有一限。 表1 1 常用总线 综上所述，传统的总线存在着以下不足： ( 1 ) 插拔安装麻烦，价格相对昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制， 可扩展性差；占用主板相当大的空间，不利于微机系统的小型化。 ( 2 ) 由于采集卡需安装在工控机或p c 机内，不方便进行野外现场数据采集的 情况，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： 1 2 国内外研究现状与水平 1 2 1 国外研究现状 目前，国外企业已经推出了很多能适应不同条件，不同精度要求等情况的 u s b 的数据采集系列产品。典型的是美国国家仪器有限公司( n a t i o n a li l l s t m m e n t s ， m ) 公司研制的一系列u s b 数据采集卡，m 于2 0 0 5 年8 月份推出了八款最 新u s b 2 o 高速数据采集设备，从而扩展了其业界领先的高性能u s b 数据采集 设备u s b 9 0 0 0 系列产品，实现了高达8 0 0k s s 的采样率。这些新设备不但为现 有u s b 兼容的数据采集设备提供最高速率的数据采集功能，同时也以功能强大 的测量服务软件简化了系统设置和程序设计的工作。但是m 公司的u s b 数据采 集卡系列产品的价格都在2 0 0 美元以上。 1 2 2 国内研究现状 近年来国内有很多公司像北京中泰研创科技有限公司，成都中科动态仪器有 限公司等都相继推出了u s b 数据采集卡，而这些产品多是基于u s b l 1 协议规 范，其数据传输速度远低于基于u s b 2 o 协议规范的数据采集卡，因此也制约了 2 湖北工业大学硕士学位论文 这些产品的采集速度。目前国内对u s e 接口开发应用的广度和深度还远远不如 传统的串行口、并行口以及各种总线插卡，其应用主要是局限于开发一些标准的 微机外围设备，如u 盘、鼠标、键盘等哺1 。这主要是由于作为一个新技术和新标 准，u s b 规范较为复杂，应用开发人员还不是很了解，相应的技术支持和参考设 计资源比较少，要把u s b 接口作为微机的一个通用i 0 接口使用具有一定的软 硬件开发难度。目前，国内外有一些厂商为u s b 设备的研发提供软硬件支持，这 在很大程度上降低了开发难度，减少了开发时间，提高了开发质量和效率。u s b 2 0 接口凭借低成本、高性能、可靠稳定、方便灵活的特点，将逐步成为微型计算机 的主要输入输出方式。 总的来说，目前国内对u s b 数据采集设备的研制已经取得了可喜的发展，但 是与国外的情况相比，在开发和应用的深度和广度而言，还有一段距离，现场数 据采集要求比较高的场合多是采用的国外产品。因此，随着计算机对u s b 接口的 普及和实际应用中对数据采集卡要求的提高，利用u s b 2 o 协议规范开发出符合 多种场合要求的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了亟待解 决的现实问题拍1 。目前国内外出现的u s b 数据采集产品及其u s b 的应用实例，都 为本课题把u s b 2 0 总线技术应用于数据采集系统提供了很好的参考和借鉴。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的研究将包含以下几个方面： ( 1 ) 数据采集系统方案的确立。根据系统的性能要求及实际情况确定本课题所 采用的数据采集方案。 ( 2 ) u s b 通信协议的原理及其应用。包括u s b 设备的软硬件要求以及u s b 传 输类型和要素。 ( 3 ) 系统硬件设计。研究如何解决课题所需硬件的设计，进行系统硬件分析，其 中包括数据采集系统芯片选型、主要电路设计。 ( 4 ) 系统软件设计。研究如何解决课题所需软件的设计，其中包括u s b 驱动程 序设计、u s b 固件程序设计、u s b 数据采集系统软件界面应用程序设计。 ( 5 ) 系统的测试与分析。对系统进行测试，并分析其测试结果。 1 4 本课题的应用价值 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数 据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各 湖北工业大学硕士学位论文 个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机枝木的发展与普及，数据采集 技术将有广阔的发展前景。 而在图像处理、瞬态信号测量等一些高速、高精度的应用中，u s b2 o 接口 以其高速率等优点渐有取代传统l s a 及p c i 数据总线的趋势，热插拔、即插即用 的特性也使其成为各种p c 外设的首选接口。如何将u s b 2 o 接口应用到高精度的 数据采集中，是今后数据采集系统的一个研究方向口3 。基于此，本课题提出开发基 于u s b 2 o 的多路高精度数据采集系统，采用u s b 2 o 总线技术来解决其与微机的 接口问题，针对u s b 技术进行研究，并探讨利用u s b 接口总线进行数据传输的实 现方法。本课题开发的基于u s b 2 0 接口的多路高精度数据采集系统，将会在野 外等多种场合下得到广泛的应用，同时也为研究u s b 2 0 技术和开发u s b 2 o 设备 提供了很好的原型。 1 5 论文的组织结构 第1 章为引言，本章从论文的选题背景出发，介绍了数据采集技术的基本概 念、发展状况以及研究现状，简单论述u s b 与其它总线的区别，本章还给出了主 要研究内容及论文结构安排。 第2 章为u s b 技术研究，详细介绍了u s b 的相关技术和理论，包括各种u s b 系统结构、u s b 事务处理、u s b 信号与电源、u s b 传输和u s b 设备。 第3 章为研究方案的分析与设计，本章从系统的设计要求及性能指标出发， 提出了系统的总体设计方案，并简单论述其工作原理。 第4 章为系统硬件设计与实现，包括u s b 控制芯片与a d 芯片的选择，同时 对u s b 控制芯片6 8 0 1 3 的性能、原理以及开发方法进行详细的介绍。 第5 章为系统的软件设计与实现，包括固件程序、驱动程序及应用软件的设 计与开发，并对源程序中的主要函数作了介绍，同时给出了部分源代码。 第6 章为系统的测试与分析，包括驱动程序的安装和采集卡的测试及测试结 果的分析。 。 第7 章为总结和展望，总结论文的主要研究工作及今后的研究方向，对进一 步的技术研究及改进做展望。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章u s b 技术研究 2 1u s b 总线介绍 u s b 的全称为u n i v e 璐a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是1 9 9 4 年底由i b m 、 i n t e l 、c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o n ht c l e c o m 共同开发的p c 外设接 口标准，由于其具有使用方便及成本低廉等优点，迅速得到业界强力支持，目前 已经成为主流的总线标准饵1 。 u s b 最初推出的是1 x 版本，其总线传输速度较低，为1 2 m b p s 。2 0 0 0 年4 月由上述七家公司发布的u s b 2 0 协议把u s b 的传输速率提高了4 0 倍，即达 4 8 0 m b p s ，在保持了u s b l 1 优点前提下，保证了向下兼容性，可以完全支持各种 u s b l x 的产品。u s b 2 0 满足了高端应用对总线的带宽需求，从2 0 0 2 年下半年起， 支持u s b 2 0 协议的设备开始大规模出现。使得u s b 在高速数据采集方面大有用 武之地，使得工程人员在设计高速采集系统时，不得不青睐于u s b 接口。通用串行 总线的出现，很容易就能实现低成本、高可靠性。采用u s b 2 o 协议接口有以下 主要优点： ( 1 ) 速度快。u s b 有高速、全速和低速三种方式，高速4 8 0 m b p s ，全速1 2 m b p s ， 低速为1 5 m b p s 。 ( 2 ) 设备安装和配置容易。所有u s b 设备支持热拔插，系统对其进行自动配置， 彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 ( 3 ) 易于扩展。通过使用h u b 扩展可拔接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长 度为3 米( 5 米低速) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 m 。 ( 4 ) 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大达5v 电压、5 0 0i l a 电流。 ( 5 ) 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r 0 i l i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r n l p t ) 、块传输( b u l k ) ，以适应不同设备的需要阳1 。 2 2u s b 系统描述 2 2 1u s b 系统的结构 如图2 1 所示，u s b 系统可分为u s b 主机和u s b 设备，而按层次来划分，整 个u s b 系统又可分为u s b 总线接口层、u s b 设备层和功能层。 5 湖北工业大学硕士学位论文 主机 互联u s b 设备 实际通信流 i 一 逻辑通信流 功能层 u s b 设备层 us b 总缝接口层 图2 1u s b 系统分层 2 2 1 1u s b 主机 u s b 主机分成三个功能模块：客户软件、u s b 系统软件以及u s b 总线接口n 引。 ( 1 ) 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。 它包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两个部分。 ( 2 ) 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 主机软件三个部分，这些软件通常由操作系统提供。 ( 3 ) u s b 总线接口：包括主控制器和根集线器两个部分。主控制器负责主机和 u s b 设备之间数据的实际传输，根集线器为u s b 系统提供连接起点。 2 2 1 2u s b 设备 u s b 设备由三个功能模块组成：u s b 总线接口、u s b 逻辑设备以及功能单元 n 训。u s b 总线接口是u s b 设备中的串行接口引擎( s m ) ；u s b 逻辑设备被u s b 系统软件看作一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。设 备构架认为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。u s b 设备使用各种描述符来说明其设备构架，包括设备描述符、配 置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，这些都被保存在u s b 接 6 湖北工业大学硕士学位论文 口芯片的固件中。图2 2 为u s b 设备构架图。 2 2 2u s b 系统的分层 图2 2u s b 设备构架 2 2 2 1 功能层 功能层负责实现u s b 设备的特定功能。该层不理解u s b 的串行传输机制，而 只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它有主机方的客户软件和设备方的功能单 元组成。 ( 1 ) 客户软件和功能单元间的关系客户软件仅仅对u s b 设备的接口感兴趣， 且只需与功能单元进行通信，实际上客户软件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。 ( 2 ) 传输类型根据实际所需，客户软件和u s b 设备的功能单元进行通信时可 采用四个传输类型：块传输、中断传输、同步传输和控制传输。 2 2 2 2u s b 设备层 u s b 设备层实现主机和u s b 设备间的配置通信。该层理解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。 ( 1 ) u s b 逻辑总线拓扑结构 u s b 设备是以层次星型的总线拓扑结构来连接的，但从主机看来，每个与其 连接的u s b 逻辑设备的通信就像它们直接连接在根集线器上一样。它们之间通不 7 湖北工业大学硕士学位论文 需要功能层的干预，值实际的数据传输仍是由u s b 总线接口层完成的。 ( 2 ) 配置通信 配置通信发生在u s b 设备的连接或断开时，由u s b 逻辑设备层完成。主机会 周期性的查询集线器，以检测其下行端口上是否有u s b 设备的连接或断开。 【1 】u s b 设备的连接 当u s b 设备连接至集线器的下行端口时，主机很快就会发现并首先使用缺省 地址和缺省控制管道来访问它，以得到该设备的配置信息；然后主机会为这个设 备分配设备地址；最后主机会向相关的客户软件发出通知，让它们来进一步配置。 【2 】u s b 设备的断开 当从集线器的下行端口断开一个u s b 设备，集线器马上禁止该端口并向主机 发出通知。u s b 系统软件和相关的客户软件会处理这个断开操作，其设备地址将 被释放。 2 2 2 3u s b 总线接口层 u s b 总线接口层实现主机和u s b 设备间的数据的实际传输。它由主机方的 u s b 主控器和设备方的u s b 总线接口两部分组成。为了保证u s b 总线上传输数 据的完整性和消除噪音干扰，u s b 采用了n r z i ( 反向非归零) 编码的差分信号， 数据在d + 和d 线上的相位差为1 8 0 。u s b 主控制器和u s b 设备的s 正负责对 数据进行n r z i 编解码和差分驱动。 2 2 3u s b 通讯流 在u s b 总线上，所有与u s b 设备功能单元的数据传输都是由客户软件启动的， 而且必须经过主机的u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能将数据发送到u s b 设备。传输过程涉及四个软硬件实体：客户软件、u s b 总线驱动程序、u s b 主控 制器驱动程序和u s b 主控制器。 2 2 3 1u s b 传输管理 如图2 3 所示，客户软件向u s b 设备发送数据其步骤为： ( 1 ) 客户软件把要传输的数据放入数据缓冲区，并向u s b 总线驱动程序发出 瓜p ，以请求数据传输。 ( 2 ) u s b 总线驱动程序响应客户软件发出的i r p ，并将其中的数据转化成一个 个具有u s b 格式的事务处理，然后将其向下传递。 ( 3 ) u s b 主控制器驱动程序负责为这些事务处理建立系列以帧为单位的事务 处理列表，并保证其不会超过u s b 的带宽。 8 湖北工业大学硕士学位论文 ( 4 ) u s b 主控制器负责读耿事务处理列表，并将其中的事务单位发送到u s b 总 线上，且传输速率可以是低速、全速或高速。 ( 5 ) u s b 设备接收到这些信息包后，s 正自动将其解包并将数据放到接收缓冲 区内，有芯片固件对其进行处理。 些k 恢。 、再吒j h c d ) 匹到一、 4 囊靠地理| 啪势饺硎州雀l 搿努i 懈务处残 i 处王ij 几翮郅 垡l d 图2 3u s b 传输管理 同理，客户软件在接受u s b 设备发送来的数据时也必须经过上述的四个实体， 其传输过程的为上图中箭头向上的方向进行n 。 2 2 3 2 传输中的事务处理 u s b 的数据传输是以帧为单位，可以包含一个或多个事务处理。图2 4 描述 了客户软件和u s b 设备进行通信时事务处理的安排。客户软件使用了两条管道， 建立了两个m p s ；u s b 总线驱动程序把每个i r p 中的数据都组织成三个事务处理； 9 湖北工业大学硕士学位论文 u s b 主控制器驱动程序把这些事务处理安排在事务处理列表中，最后u s b 主控制 器读取该列表，把它们发送到u s b 总线上1 2 3 。如图2 4 所示。 h 咿li r p 2 l 事彝- ll 事舞- ：il 事务， li 事务：-li 事务：，li 事务：3i lll 一一，乃 之多陟琶专参 l喷外帧 l晦p l 、l 嗨 夸庳箍鬈巍手令庳藏撼囊手夸庳敏嚣菇手争库藏鬈蠢手 1 02 o2 11 1 2 3u s b 信号和电源 图2 4 u s b 事务处理安排 2 3 1u s b 信号 数据在u s b 总线上传输时，使用的是n r z i 编码的差分信号，这种u s b 信有 利于保证数据的完整性和消除噪音干扰。u s b 根据数据的传输方向和传输类型对 u s b 信号在d + 和d 线上的电压提出了具体的要求，以完成主机和u s b 设备的物 理通信。 2 3 1 1u s b 信号的发送 低速全速信号的发送对于低速，全速传输，其d + 和d 线上的输出低电位时的 电压( o i v ) 必须小( m 积) o i ，v ：0 3 v ；输出高电位时的电压必须大于( m i n ) o h v ： 2 8 v 。 低速u s b 设备在连接时一般使用束缚型低速电缆，它不需要外层屏蔽和数据 线双绞，最大传输延时1 8 n s 。在低速电缆和u s b 设备连接处，其d + 和d 线上通 常各需一个2 0 0 p f 4 5 0 p f 的电容接地。 全速u s b 设备在连接时必须使用具有外层屏蔽和数据双绞的全速电缆，其差 l o 湖北工业大学硕士学位论文 分特征阻抗为9 0 ( 1 1 5 ) ? ，共模阻抗为3 0 ( 1 3 0 ) ? ，单向最大传输延时为 2 6 n s o 2 3 1 2 高速信号的发送 对于高速传输，其d + 和d 。线上输出低电位时的电压( h s o l v ) 必须为o v 1 0 m v ；输出高电位时的电压( h s o h v ) 必须为4 0 0 ( 1 1 0 ) m v 。 高速u s b 设备在连接时必须使用具有外层屏蔽和数据双绞的高速电缆，其差 分特征阻抗为9 0 ( 1 1 5 ) ? ，共模阻抗为3 0 ( 1 3 0 ) ? ，单向最大传输延时为 2 6 n s 。 2 3 1 3u s b 信号的接收 ： u s b 使用差分接收器接收各种u s b 信号，具体实现方式根据不同的传输速率 而不同。 对于低速全速传输，其d + 和d 线上u s b 信号的差分输入电压范围为0 8 v 一2 5 v ，差分接收器的输入分辨率至少为2 0 0 m v 。除了差分接收器，d + 和d 线上 还各有一个单端接收器。当传输差分信号时，d + 和d 线上的电压会暂时低于 ( m i l l ) i h v ，对于低速传输，其持续时间最长为2 1 0 n s ；对于全速传输，其持续最长 时间为1 4 n s 。 高速传输中，高速差分接收器和传输包监测器负责监视u s b 总线上串行数据 流的输入。其d + 和d 线上高速信号的共模电压范围( v c m ) 为? 5 0 m v 巧0 0 l i n v 。典 型值为2 0 0 m v 。所有接收信号的电压都要受高速传输包监测器输出的限定。当d + 和d 线上的差分电压幅度1 0 0 m v 时，其会自动压制电压；当d + 和d 线上的差 分电压幅度1 5 0 m v 时，会解除电压压制。在该过程中必须使用滤波机制，以避 免当差分高低电平交叉时进行电压压制。对于下行连接，断开包监测器负责监视 d + 和d 线上的差分电压幅值。当其值6 2 5 m v 时，断开包监测器会认为下行u s b 设备已经断开；当其值5 2 5 m v 时，断开包监测器不会认为下行u s b 设备已经断 开。当接收低速全速数据时，高速数据接收器必须满足低速全速信号接收的特性 1 3 】 o 2 3 1 4u s b 信号状态 为了完成主机和u s b 设备间数据的实际传输，u s b 在其总线上定义了一系列 信号状态，如差分信号数据“0 ”和“1 ”设备的断开和连接等等，所需电平根据 传输速率不同而不同。u s b 包括以下五种信号状态： ( 1 ) 数据信号 湖北工业大学硕士学位论文 u s b 使用事务来管理器在总线上传输的数据，每个事务处理可包含若干个信 息包。在u s b 总线看来，它们都是以s o p 信号开始、以e o p 信号结束，中间传 输差分数据“0 和“1 。 对于低速全速数据信号，当d + 和d 线从空闲状态转成数据k 状态时，则表 示一个包的开始( s o p ) ，其后是将要传输的具有特定格式的u s b 数据，如同步字 段、p i d 等。当d + 和d 线上出现s e o 状态并持续两个位时间，且后跟一个位时 间的j 状态时，则表示信息包的结束( e o p ) 。此后总线进入高阻抗状态，但其上 拉电阻会马上起作用，使其处于空闲状态，直至下一个信息包的来临。 对于高速信号，当d + 和d 线从高速空闲状态转换为高速k 状态时，则表示 一个信息包的开始( s o p ) ，其后是将传输的具有特定格式的u s b 数据，如同步字 段、p 等。高速e o p 信号比较特殊，它包含一个自动产生的位填充错误。对除 s o f 令牌包以外的信息包来说，e o p 信号模式是一个不需要使用位填充的n r z 字 节0 1 1 1 1 1 1 1 。 ( 2 ) 连接和断开信号 当集线器下行端口监测到d + 或d 线上的电平超过i h v ，并至少持续2 5u s ， 则认为u s b 设备的连接，并对其设备速度进行识别。对于低速和全速设备，当集 线器下行端口监测到u s b 总线上出现s e o 状态并持续了2 5us ，则认为u s b 设 备断开；对于高速设备，需使用差分电压来判断其是否断开，当差分电压幅度 6 2 5 m v 时，一定认为u s b 设备已经断开，而当差分电压幅度5 2 5 m v 时，一定 不能认为u s b 设备被断开。 ( 3 ) 复位信号 复位信号是由主控制器或集线器的下行端口产生的，它驱动d + 线和d 线处于 s e o 状态，并至少持续1 0 m s 。对于低速全速设备来说，如果检测到总线上s e o 状态持续了2 5ps 后，就可以认为是复位信号。在复位结束后，u s b 设备进入缺 省状态，此时，集线器必须能正确接收所有的集线器类请求，u s b 功能设备必须 能正确接收s e 认d d r e s s ( ) 标准请求。如果对这些请求的处理失败，u s b 将不能正确 识别该设备。当高速设备处于上电、缺省、地址、配置和挂起状态时，也可以被 复位，且复位信号和低速全速设备兼容。当集线器和其所连接的u s b 设备都采用 高速传输时，在接收到复位信号后，它们将共同处理一些低层协议，当复位结束 时，它们都进入缺省状态，且集线器的端口状态寄存器会指明该端口现在工作于 高速信号模式下。 ( 4 ) 挂起 所有的u s b 设备都必须支持挂起状态，而且能从上电后的任何设备状态进入 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 挂起状态。当u s b 设备在其上行总线上看到一个连续的空闲状态持续了至少3 0 m s 时，则开始转入挂起状态，它将在总线无活动后的1 0 m s 时间内真正挂起，这是其 仅从u s b 总线获取极少的挂起电流。u s b 设备上行端口的任何活动都将使其脱离 挂起状态。对高速全速设备，当u s b 总线上无数据传输时，主机会在每帧中自动 产生s o f 令牌，以避免它们进入挂起状态。对于低速设备，其也能在每帧中至少 看到一个保持活动的u s b 信号。当处于挂起状态时，u s b 设备必须为其d + 线( 高 速全速) 或d 线( 低速) 的上拉电阻提供电源，以便上行集线器仍保持正确的连 接状态。 ( 5 ) 恢复 设备从挂起状态回到工作状态的过程称之为恢复。当u s b 设备处于挂起状态 时，其上行端口的任何非空闲信号都将使其得到恢复。全局挂起的恢复由主机的 根端口来实现，选择性挂起的恢复可通过集线器设备请求a e 盯p 0 n f e a t u 坞 ( p o r ts u s p 啪) 来实现n 钔。 2 3 2u 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源一般为1 0 0 i l 认或5 0 0 l l 认。提供5 0 0 n 迭电流的u s b 端口 称之为高功率端口，提供1 0 0 l l 认电流的u s b 端口称之为低功率端口。u s b 电缆 包含两根电源线b u s v 和g n d ，其电压标称值为+ 5 v 。对于高功率集线器端口， 电压范围是4 7 5 v 一5 2 5 v ；低功率集线器端口电压范围为4 4 v 。5 2 5 v 。u s b 设备 既可以使用总线提高的电源，也可以使用单独的本地电源。使用总线电源的u s b 设备，必须保证当b u s v 处于最低电压时其仍能正常工作，要求在实际开发时u s b 接口芯片的供电电压，最好选用+ 3 3 v 的供电芯片。 2 3 2 1 电源分配 根据采用的电源形式和所消耗最小电流的不同，u s b 设备可分成以下几类： ( 1 ) 根集线器 根集线器被嵌入在u s b 主控制器内部，其电源供应可以从主机上直接获取。 如果主机电源来自外部电源，则根集线器必须为其下行端口提供至少5 0 0 i l 认的电 流；如果主机是由电池供电，则根集线器可以为其下行端口提供1 0 0 m a 或5 0 0 l l 认 的电流。 ( 2 ) 总线供电集线器 总线供电集线器需要从上行总线上获取其内部功能单元和下行端口所需的全 湖北工业大学硕士学位论文 部电源。如果它被连接在高功率u s b 端口上，其可以获取5 哟m a 的总线电流； 如果它被连接在低功率u s b 端口上，则在任何时候起所消耗的电流都要小于 1 0 0 m a ，否则不能正常工作。 ( 3 ) 自供电集线器 供电集线器的内部功能单元和其下行端口所需的全部供电来自单独的本地电 源。如果本地电源是一个外部电源，则它必须为其下行端口提供至少5 0 0 1 1 认的电 流；如果本地电源是由电池提供的，则它可以为其下行端口提供1 0 0 i n a 或5 0 0 i l 认 的电流，但在本地电源停止供电时，它仍可从u s b 总线上获取最多1 0 0 i n a 的电 流，为其u s b 接口供电。 ( 4 ) 低功率总线供电u s b 单元 该设备所需的全部电源来自u s b 总线，且任何时候它消耗的最小电流不会超 j 立1 0 ( 1 n l a 。 ( 5 ) 高功率最小供电u s b 单元 该设备所需的全部电源来自u s b 总线，在上电时，消耗的最小电流不会超过 1 0 0 n 认；当配置完毕时，其消耗的总线电流最多达到5 0 0 玎 认。 ( 6 ) 自供电u s b 功能单元 该设备所需的全部电源来自单独的本地电源，但在本地电源停止供电时，可 以从u s b 总线上获取最多1 0 0 m a 的电流，为其u s b 接口供电n 目。 2 3 2 2 电源管理 u s b 主机中有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。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，如果设备工作于高功率模式下且已使能远程唤 醒功能，其需要获取2 5 i l 公的挂起电流。对于总线供电的u s b 集线器，如果它在 配置后被挂起，则需从总线上获取2 5 i l 认的挂起电流，并为下行端口配置5 0 0i i a 电流，剩余的电流量留给集线器和其内部功能单元使用，如果它未经配置被挂 起，则它将作为低功率设备从总线上获取最多5 0 0i ia 的挂起电流。 2 4u 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，由一系列具体由特 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。 各个阶段的功能为： 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 令牌阶段；表示事务处理的开始，并定义传输类型。 ( 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，以说明数据接收是否成功。 王机 上机j u s b 搜褥u s b 晚铬7 上机 厂- j l 厂- n 1f 厂- n i 嗣彦 樽色 e o p i 事段 | 锊i 阶段 2 4 1 字段的格式 图2 5 典型的事务处理 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p i d 、c r c 等。当数据在u s b 总线上传输时，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 ) 。 u s b 信息包包括以下七种字段： ( 1 ) 同步字段 对于低速全速传输，同步字段的长度为8 位，数据原型为7 个连续的“0 一和 1 个“1 ”，经m 逻i 编码后，以“k k 的形式出现在总线上。u s b 总线从 空闲状态到k 状态的转变表示新的信息包的到达，即s o p ；k 状态和j 状态的交 替为总线提供了时钟，以使接收方能和传输方的数据保持同步；最后两个k 状态 作为该同步字段的结束，并表示p i d 的开始。此时接受方已经明确知道信息包中 每一位何时到达，最后信息包中的e o p 信号使u s b 总线再次返回空闲状态，为接 受下一个同步字段做好准备。 高速传输同步字段的长度为3 2 位，数据原型为3 1 个连续的“0 和1 个“1 ， 经n r z i 编码后，以1 5 个“ 和两个“k ”的形式出现在总线上。u s b 集线器 中继某个信息包时，最多可丢失同步字段的前四位，且不能破坏同步字段的其他 数据位，即同步字段在经过5 个集线器的中继后，可能只剩下1 2 位了。 ( 2 ) 包标识字段( p i d ) 在u s b 信息包中，包标识字段紧跟在同步字段之后，并指明该信息包的类型、 格式和采用的差错控机制。它由4 位类型字段和4 位校验字段组成。如图2 6 所示。 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 ( l s b ) 。 ( m s b 图2 6 包标识字段图 主机和u s b 设备都要对接收到的p i d 字段进行正确的译码。如果其校验字段错误， 或得到未定义的值，则认为该p i d 字段已被破坏，且应忽略信息包的其余部分； 如果u s b 设备接收到一个其不支持的p i d 字段，则它不应予回答。按p i d 字段功 能，其可分成4 种类型：令牌( 1 0 b ) 、数据( 1 1 b ) 、握手( 0 1 b ) 和专用b ) ，并由其字 段值的前两位( p i d ) 来指明。 ( 3 ) 地址字段( a d d r ) 地址字段是用于指定u s b 系统中的一个设备，它包含6 个数据位，最多可指 定1 2 8 个地址，其中地址0 只能用于缺省地址，不能分配给u s b 设备。如图2 7 。 ( l s b )似s b ) i 笪坚堕ql垒! ! 堑l i 一垒璺鱼 1 a d d r 3 ia 眦4l a d 击5 i a d d r 6 l 图2 7 地址字段图 在矾、o u t 、s p l l l r 和p g 令牌包中必须