（农业电气化与自动化专业论文）一种具有USB功能的农田数据采集系统.pdf

中国农业大学硕+ 学位论文 摘要 摘要 农田通用数据采集系统的开发与改进是推进农业信息化、丰富精细农业技术体系的基础。目 前普遍使用的农田数据采集系统是以单片机与r s 2 3 2 为主，数据采集速度较低。p d a ( p e r s o n a l d i g i t a l a s s i s t a n t ) 其高性能价格比、低功耗、体积小等优点逐步应用于农业当中，成为农田数据 采集系统的优选对象与此同时，随着计算机接口技术的发展，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 已经 成为p c 与外部设备的主流接口，并逐步取代传统的r s 2 3 2 接口。然而，目前市场上通用的p d a 和具备u s b 接口的数据采集器都只能充当u s b 设备( s l a v e ) 与p c ( p e r s o i i a ic o m p u t e r ) 通信，二 者无法直接连接，这一问题极大限制了p d a 和u s b 接口技术在农业中的应用。本文旨在解决这 一应用难题，研制一种具有u s b 主，从功能的数据采集系统。主要研究内容包括： 1 深入剖析u s b 接口技术，并根据实际需求，基于u s b 接口芯片s l s l l h s 设计了一种具 有u s b l 1 主从功能的接口模块，集成该模块的数据采集器既可作为主机与p d a 通信， 又可作为从机与p c 机通信。 2 数据采集器采用高性能、低功耗微处理器m s p 4 3 0 作为核心，集成高速a d 采集模块， 实现了1 2 位精度的模拟电压信号采集，可以满足农田数据采集的常用需求。 3 基于嵌入式w i n c e n e t 4 2 开发了p d a 数据显示终端的应用程序，实现了数据接收、 实时显示、存储等。同时，开发了w i n d o w sx p 操作系统下的u s b 设备驱动程序和p c 终端数据采集应用软件，增强了数据采集系统的通_ h j 性。 4 对数据采集器的采集模块进行了标定试验，结果表明采集模块工作可靠，性能满足系统 设计要求。对基于u s b 和r s 2 3 2 两种串行接口的数据采集系统进行了测量速度对比试 验，结果表明应用u s b 接口技术后，采集系统测量速度提高了2 2 3 倍( 串口波特率为 1 1 5 2 0 0 b p s ) ，未能进一步提高土要是受到m s p 4 3 0 单片机运行速度的限制。 关键字；农田数据采集，p d a ，u s b 接口，s l 8 1 1 h s 中国农业大学顾 。学 f ，论文a b s t r a c t a b s t r a c t f i e l dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a se s s e n t i a li np r e c i s i o na g r i c u l t u r e c u r r e n t l y ，m o s to ft h ef i e l d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m sw e r eb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ra n dr s 2 3 2 ，w h i c hw a ss u i t a b l et oc o l l e c td a t a s l o w l y p d af p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) w a sa p p l i e dm o l ea n dm o r ei nf i e l dd a t aa c q u i s i t i o nb e c a u s eo f i bh j 曲p e r f o r m a n c e p r i c er a t i o ，l o wp o w e r , s m a l lp o c k e t s i z e ，a n ds oo n m e a n w h i l e ，t h eu n i v e r s a l s e r i a lb u sf u s b ) w a sb e c o m i n gt h em a i ni n t e r f a c eb e t w e e np ca n dp e r i p h e r a lc o m m u n i c a t i o no w n i n g t 0i t ss u p e r i o r i t i e s a n ds u b s t i t u t i n gt h et r a d i t i o n a lr s 2 3 2i n t e r f a c es t e pb ys t e p h o w e v e r , i tw a s d i f f i c u l tt oc o m b i n et h ec o m m e r c i a l i z e dp d aw i t hd a t a l o g g e r sb a s e do nu s b ，b e c a u s eb o t ho ft h e m w e r eu s bs l a v ed e v i c e s ，w h i c hu s u a l l yw e r er e g a r d e da sp cp e r i p h e r a l s w i t ht h ea i mo fc o n n e c t i n g p d aa n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mv i au s b ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dad a t a l o g g e rw i t hu s bh o s t s l a v e i n t e r f a c e t h em a i nc o n t e n tw a sa sf o l l o w s ： 1 t h eu s bp r o t o c o lw a sd e t a i l e d l ya n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，a n u s bh o s t s l a v ei n t e r f a c em o d u l ew a sd e s i g n e db a s e do nt h es i _ 8 1 1 h s t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mt h a ti m p l e m e n t e dw i t ht h i su s bm o d u l ec a na c ta sa l lu s bh o s td e v i c eo ra nu s b s l a v ed e v i c e ，s oi tc a nc o m m u n i c a t ew i t hb o t hp d aa n dp ct oa c c o m p l i s ht h ed a t aa c q u i s i t i o n w o r k 2 t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e dw i t ht h em s p 4 3 0 f 1 4 9m i c r o c o n t r o l l e r , w h i c h c o n t a i n sh i g h s p e e da d c ( 1 2b i t s ) a n dp e r f o r m sw e l lw i t hl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n i ti s s u i t a b l ef o rf i e l dw o r ka n dc o u l dm e e tt h ed e m a n d so ff i e l dd a t aa c q u i s i t i o n 3 t h es o f t w a r eo f p d a w h i c h w a su s e d a s t h ed a t ad i s p l a y t e r m i n a l w a sd e v e l o p e db a s e d o n t h e e m b e d d e do sw i n c e n e t 4 2 i t sf u n c t i o n si n c l u d e dr e c e i v i n g , d i s p l a y i n ga n ds t o r i n gd a t a f r o mt h ed a t ac o l l e c t o r f o rm o r ef i e x i b l ea n du n i v e r s a l , t h ed r i v ep r o g r a ma n da p p l i c a t i o n p r o g r a mo fu s bi n t e r f a c ew a sc o m p i l e db a s e do nt h ew i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m s 4 ac a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt oe v a l u a t ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd a t a a c q u i s i t i o n t ov e r i f y i n gt h et r a n s f e rs p e e d ，a n o t h e re x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e d ，w h i c hr e v e a l s t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ht h eu s bw a sf a s t e rt h a nt h eo n ew i t ht h et r a d i t i o n a lu a r t ( 2 2 3 xw h e nu a r t1 1 5 2 0 0 b p s ) t h em a i nr e a s e nw a st h el i m i to ft h es p e e do fm s p 4 3 0u s e d i nd a t a l o g g e r k e yw o r d s ：f i e l dd a t aa c q u i s i t i o n ，p d a ，u s bi n t e r f a c e , s l s i i h s l i 中国农业大学硕士学位论文插图和附表清单 插图和附表清单 图1 - 1l a b j a c k 公司生产的基于u s b 接口的数据采集控制器- l a b j a c k u e 9 。2 图1 - 2 n l 公司生产的基于u s b 接e l 的数据采集控制器- u s b _ 6 5 2 5 。2 图1 3 基于p d a 的土壤水分测试仪m i n i t r a s e 3 图1 4 基于p d a 的土壤蒸发量数据采集系统- e c 】0 9 图l - 5 基于p d a 的s m p - v 在农田中的应用3 图1 - 6a g g p s1 6 0 便携电脑3 图1 - 7a g g p se z - m a p 3 图1 - 8 数据采集系统框图 4 图2 - 1u s b 的电缆6 图2 - 2u s b 系统的逻辑分层结构 7 图2 - 3 控制传送的初始设置步骤9 图2 - 4 w d m 中设备对象和驱动程序的层次结构 图2 - 5 驱动程序对象1 3 图3 - 1 数据采集器框图 图3 - 2s l 8 1 1 h s 的主，从控制功能框图 图3 - 3s l s l l h s 的引脚图 1 4 1 6 1 6 图3 4 基于s l 8 1 1 h s 的u s b 主机接口电路2 0 图3 - 5 基于s l 8 1 1 h s 的u s b 从机接口电路2 0 图3 - 6 基于s l 8 1 1 h s 的u s b 主机从机接口模块实物图2 1 图3 7 数据采集模块的一路模拟输入通道2 2 图3 - 8m s p 4 3 0 f 1 4 9 与s l 8 1 1 h s 的连接示意图 图3 - 9m s p 4 3 0 f 1 曲实现a d 转换流程图 图3 1 0u s b 主机端系统的工作过程2 4 图3 1 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 写操作s l 8 l l h s 的程序流程2 5 图3 1 2u s b 主机端设备枚举的程序流程2 6 图3 1 3s l s l l h s 主机向设备发送数据的过程示意2 8 图3 1 4u s b 从机主程序循环的结构2 9 图3 1 5 从机端驱动程序的基本结构2 9 图3 一1 6 端点0 中断处理流程3 0 图3 1 7 端点1 中断处理流程。3 2 图3 1 8 端点2 中断处理流程3 2 图3 1 9g e td e s c r i p t o r 请求处理函数流程图3 4 图3 - 2 0s e ta d d r e s s 请求处理函数流程图3 4 图3 2 1s e tc o n f i g u r a t i o n 请求处理函数流程圈一3 5 图4 - l 显示存储终端数据处理程序总流程图3 7 v 中国农业大学硕 。学位论丈 插矧和附表清单 图4 2p d a 数据采集与处理程序主界面 图4 3u s b 设备驱动安装后设备管理器显示 图4 4p c 数据采集与处理程序主界面。 图5 - 1 数据采集系统标定试验实物连接图 4 3 。4 4 4 5图5 2 第五路通道电压测量值与标准电压的关系曲线 图5 - 3 不同传输方式下单位时间内p d a 接收的数据次数( 进行a d 转换) 图5 - 4 不同传输方式下单位时间内p d a 接收的数据次数( 不进行a d 转换) 表2 - 1p d a - h a p 0 2 0 8 硬件配置表 表3 - 1s l 8 1 1 h s 在主机状态下的寄存器概要 表3 - 2s i _ 8 1 1 h s 在从机状态下的端点寄存器概要 表3 - 3s l 8 1 1 h s 在从机状态下的u s b 寄存器概要 表3 - 4p d ah a f 0 2 0 8 的设备描述符 表3 5p d ah a p 0 2 0 8 的配置描述符 表3 - 6p d a h a p 0 2 0 8 的接口描述符 表3 7p d ah a p 0 2 0 8 的端点描述符 4 7 。1 0 1 8 表3 - 8 基丁二s l s l l h s 的数据采集系统的设备描述符 表3 - 9 基于s l s l l h s 的数据采集系统的配置描述符。 表3 - 加基于s l s l l h s 的数据采集系统的接口描述符 表3 1 1 基于s l 8 1 1 h s 的数据采集系统的端点描述符 3 1 3 1 表3 1 2g e t _ d e s c r i p t o r 请求的s e t u p 数据包格式3 3 表3 1 3s e t _ a d d r e s s 请求的s e t u p 数据包格式 表3 _ 1 4s e tc o n f i g u r a t i o n 请求的s e t u p 数据包格式3 5 表4 _ 1 常用a p i 函数和驱动程序的i r p 对应关系 表5 1 采集器八个通道标定试验测量结果与回归系数 v i 4 1 4 5 独创性声明 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，也不包含为获得中国农业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作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间：0 7 年，月t o 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间： v 矿年月，d 日 时间：柳1 年己月【d 日 壤赡 知 钦 丑 签 生 k 、 峭 硼 吾豁聊 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究意义及问题的提出 第1 章绪论 与传统农业生产方式相比，现代农业更注重与其生产过程密切相关的信息获取、挖掘与解译。 尤其是近年来随着精细农业与数字农业技术思想逐步被人们接受，出于不同的研究目的与实践需 求，农业工作者与工程师也相应对各种性能价格比的数据采集系统提出了更高的期望。在农田环 境下。对于数据采集系统的技术需求主要体现在：( 1 ) 抗冲击、震动与高可靠性工作，这是由长 期在农田恶劣环境下使用客观决定的；( 2 ) 出于体积与重量考虑便于携带；( 3 ) 低功耗甚至通过 太阳能电池实现所谓。零功耗”；( 4 ) 大容量数据存储；( 5 ) 为了对所采集数据进行实时复杂的 数学处理，要求借助某种高速总线技术与上位机或其它智能终端形成网络或系统，( 6 ) 从用户的 购买能力角度着想尽可能低成本。 作为一种相对廉价的智能化信息处理工具，近年来p d a ( p e r s o n a ld i 西t a l a s s i s t a n 0 性价比所 呈现出的优势日益被人们所认可。尤其是它体积小、功耗低、数据容量大、内置软件丰富、操作 系统与开发环境更接近常用p c 机，这些特点都使得它非常符合作为农田数据处理系统选择对象 的要求。然而，一个致命的缺点是目前市场上大部分p d a 不具有串口，公司提供的带有u s b 接 口的p d a ，也是将其设置为从机( s l a v e ) 方式，以至无法直接在农田数据采集系统中扮演u s b 主机( h o s t ) 的角色。因此p d a 与数据采集器的u s b 连接是u s b 型p d a 在农业中大量推广的 瓶颈，成为一个亟待解决的技术热点。 本课题试图从农田数据采集系统技术要求的特殊性出发，通过对p d a 与以单片机为核心的 数据采集器做u s b 接口扩展，充分发挥p d a 和u s b 两种先进技术的优势，构成一种可应用于 农田数据采集与实时处理的智能化系统。 1 2 国内外研究现状 1 2 1u s b 接口技术在农田数据采集领域中的应用现状 通用串行总线( u s b ) 是一种正在迅速发展的高速外设总线。它具有较高的数据传送速率和数 据传输的可靠性。目前基于u s b 接口的产品较多，其中专门的数据采集控制器也陆续出现，比较 完善的产品有美国l a b j a c k 公司生产的基于u s b 接口的多功能数据采集控制器l a b j a c k u e 3 、 l a b j a c ku e 9 ( 如图1 - 1 所示) ，l a b j a c ku e l 2 等；美国国家仪器有限公司( n 1 ) 生产的u s b 数据 采集产品u s b - 6 2 2 9 ( 如图1 - 2 所示) 、u s b - 6 5 2 5 等。这些产品被广泛地应用于测试仪器，工业过 程控制，数据监视等各种数据采集和控制场合，但它们多是作为u s b 殴备与台式机或笔记本计算 机通讯。 目前，在农田数据采集领域基丁u s b 接口的数据采集器主要是u s b 设备，即数据采集器只能 中固农q k 夫学 谛- 卜学位论文第l 审绪论 作为u s b 设备，通过u s b 接口上传数据给笔记本电脑。农田数据采集环境极其恶劣，笔记本电脑 由于其工作环境要求及不易携带性，给农田实际采集过程造成很大不便，从而限制了它们在农业 中的应用。目前也有提供u s b 主机接口的数据采集系统，是先把采集到的数据保存盈j u s b 存储设 备如u 盘上，然后转存到p c 机，这种解决方案无法进行系统数据的实时分析处理。 图卜1l a b d a c k 公司生产的基于u s b 接口的数据采 集控制器- l a b d a c ku e 9 1 2 2p d a 在农业领域的应用及研究现状 图1 - 2 川公司生产的基于u s b 接口的数据采集控制 器- u s b _ 6 5 2 5 基f 笔记本电脑的软件解决方案的使用，减少了扩展硬件的花费，但它们在田间使用远不是 一个理想的方案。近几年来，随着移动技术的发展，p d a 产品越来越成熟，在各行业中的应用相 当普及，国内外不少学者已经将其应用到了农业领域。 一部分是将p d a 应用于决策支持系统中的研究：欧拜i 建权等( 2 0 0 2 ) 开发的农业专家系统【1 1 ， 张荣安等( 2 0 0 4 ) 开发研制的农业施肥通 2 1 ；侯秋实等( 2 0 0 6 ) 开发的非充分灌溉决策支持系统【3 l 等均是以p d a 作为平台的。 一部分是将p d a 应用于农田信息采集领域：t r a s e 公司开发的基于p d a 和时域反射原理( t d r ) 的便携式土壤水分测试仪m i n i t r a s e ( 如图1 3 所示) ；m o l e n 等( 2 0 0 6 ) 基于p d a 开发的土壤蒸发 量数据采集系统e c l o 一4 l ( 如图1 - 4 所示) ；中国农业大学的孙宇瑞等研制开发的基于p d a 的土壤 剖面水分圆锥指数复合测试仪s m p v ( 如图1 5 所示) 。掌上电脑与g p s 的结合，使得g p s 的应用 也更加具体化，更加广泛化。如著名的g p s 公司t r i m b l e 推出的融合 g p s 的田间信息采集器【5 】 a g g p s1 6 0 便携电脑 i l a g g p se z - m a p ( 如图1 - 6 、图1 - 7 ) ；r a n d y l l n i s t a l 等( 2 0 0 5 ) 利用p d a 与g p s 信息相结合，为农用小型机械开发了一套导航系统【6 j 。这些产品或研究的共同点是与p d a 的通讯均是采用串口通讯。但是，随着数据通讯量的增加和对数据采集速率要求的提高，串口通 讯越来越成为整个系统工作的瓶颈。 2 中国农业大学硕十学位论文 第1 章绪论 图卜3 基于p d a 的土壤水分测试仪- - i i n i t r a s e 图1 - 4 基于p d a 的土壤蒸发量数据采集系统一e c i 锯 图1 - 5 基于p d a 的s i p - v 在农田中的应用 图1 - 8 g g p s1 6 0 便携电脑固1 - 7a g g p se z - m a p 3 中国农业大学硕 学位论文第1 章绪论 综上所述，从国内# i - i 丑间信息采集系统的研究现状和方向米看，研制基丁二p d a 和u s b 接口 的农田数据采集系统，是农田数据采集系统开发的一种趋势。 1 3 研究目标与内容 本研究的目标是开发一种具有u s b 主从功能的通_ i j 农田数据采集系统，系统框图如图1 8 所示，其显示存储终端在硬件上有两种选择：p d a 和p c 。 数据采集器显示存储终端 模拟信号辎叭 一咖瑚傲嘴牛一 一p d a ( 从机) 数# 信号 1 加模块骂 m c u 叫啪从机接口模块陪 一p c ( 主机) i 团卜8 数据采集系统框图 模拟信号输入经过a 口模块转换为数字信号输出，再经由u s b 控制器传输到显示存储终端， 实时显示并存储。可以根据不同应用选择p d a 、p c 等不同数据处理终端，在农田现场采集数据， p d a 是较佳的选择，而p c 的硬件资源丰富，数据处理功能强大，界面显示方便，是实验室内使 用的理想选择。所以本研究完成基于u s b 主机( h o s t ) 和u s b 从机( s l a v e ) 的数据采集系统的开发。 具体研究内容有： 1 具有u s b 主从功能的农田数据采集器的硬件设计 数据采集模块设计，包括硬件电路设计，数据采集困件没计。 u s b l 1 标准的u s b 主机接口模块设计，包括硬件电路设计、主机端固件设计。 u s b i 1 标准的u s b 从机接口模块设计，包括硬件电路设计、设备端园件设计。 电源模块设计，基于低功耗需求的电源管理。 2 显示存储终端程序开发 p d a 端应用程序设计。 p c 端u s b 驱动程序的设计及应用程序设计。 3 数据采集系统的标定试验及u s b 与串口的通讯速率对比试验。 4 第2 章研究技术基础 本数据采集系统是基于u s b 接口技术、p d 艘应用程序和驱动程序的开发，内容包括硬件 部分设计( 如电路设计、固件设计等) 及软件部分设计( 如终端数据显示处理程序、p c 端u s b 设备驱动程序等) ，因此本系统开发基于以下几个关键技术： 1 u s b 接口技术。包括数据采集器分别作为u s b 主机和从机时的设计； 2 p d a 及应用程序开发环境。主要是基于e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 ) 开发平台的程序 设计； 3 w d m ( w i n d o w s d r i v e r m o d e l ) 驱动程序。w i n d o w s 系统不提供u s b 数据采集器的驱动， 需要开发者自己编写，w d m 驱动程序是u s b 驱动程序模型的一种。 下面章节针对这几个关键技术进行阐述。 2 1u s b 接口技术 u s b 是一种应用在p c 领域的新型接口技术( 7 1 ”。它是由i m e l 、c o m p a q 、d i g i t a le q u i p m c n t ( 现 属c o m p a q ) 、i b m 、m i c r o s o f t ，n e c 和n o r t h e r nt c l e c o m 七家计算机与通信工业领域的知名公司 共同提出的技术标准。于1 9 9 4 年1 1 月制定了第一个草案，1 9 9 6 年1 月公布了u s b l 0 版本， 其后是几年的开发和预发布。u s b l 1 版本的公布是在1 9 9 8 年1 0 月，这个版本修补了1 0 版本中 的问题。u s b 最新推出的版本是u s b 2 0 ，它的主要目标是实现更快速的传输功能。1 9 9 7 年微软 在w i n d o w s 9 7 中开始以外挂模块形式提供对u s b 的支持，1 9 9 8 年，随着在w i n d o w s 9 8 中内置了 对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备日益增多，u s b 逐渐流行起来。 u s b 通过一种串行通讯协议和物理连接建立了一套连接和访问外围设备的方法，具有诸多特 性及优点： 快速：u s b 2 0 支持3 种类型的传输速率：1 5 m b s 的低速模式，1 2 m b s 的全速模式和4 8 0 m b s 的高速模式。另外，u s b 还有四种数据传输类型：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、 中断传输o n t e r 九i p i ) 和批量传输( b u l k ) ，这使其能适合多种外设的需要。 可靠：u s b 接口可提供双向( 半x x w ) 、实时的数据传输，通过硬件设计和数据传输协议两方 面来保证其数据传输的可靠性。u s b 发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数 据错误的因素，在u s b 协议中使用了差错校验和数据重传机制，来确保数据准确无误地发送和接 收。 易用：u s b 支持热插拔和即插即用p n p ( p l u ga n dp l a y ) 。 可扩展：外设接口之间采用菊花链形式连接，通过使用u s bh u b 进行外围扩展，可同时挂接 1 2 7 个u s b 设备。 总线供电；u s b 总线内置电源线，可以给外设提供最大5 v 和晟多5 0 0 m a 的电源，满足大 部分低功耗外设的电源要求 5 中国农业犬学硕十学位论文第2 章研究技术皋础 本系统u s b 模块设计是基于u s b l 1 协议开发的。下面对u s b l 1 协议与实际开发密切相关 的内容进行叙述。 2 1 1u s b 体系结构 1 u s b 系统的描述 u s b 系统主要包括二个部分： u s b 的互连； u s b 的设备； u s b 的主机。 u s b 的互连是指u s b 设备与土机之间进行连接和通信的操作。 u s b 的设备如f 所示： 网络集线器，向u s b 提供了更多的连接点： 功能器件：为系统提供具体功能，如i s d n 的连接，数字的游戏杆或扬声器。 u s b 的主机：在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机系统的接口称作主机控制器， 主机控制器可由硬件、同件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连 接点。 2 u s b 总线物理接口 ( 1 ) u s b 总线电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 - 1 所示，其中d + 、d 两根线是用于发送 信号的。 i 参c s d + d - g n d 图2 - 1u s 8 的电缆 、b u s d + 瑾 g n d 在u s b l 1 协议下存在两种数据传输速率： 全速1 2 m b s ； 低速1 5 m b s ； 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 对电缆长 度的要求很宽，最k 可为几米。u s b 通过选择合适的导线长度以匹配指定的i rd r o p ( 电阻压降) 和其它一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重要的 终端设备应位于电缆的尾部。通过每个端口都可以检测终端是否连接或分离，并区分出全速或低 速设备。 ( 2 ) u s b 总线机械特性 所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器不可简单地互换，这样就避免了集 线器间1 f 法的循环往复的连接。电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准 6 中国农业大学硕士学位论文第2 幸研究技术基础 的电源线。连接器有四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 2 1 2u s b 系统的逻辑分层 从开发人员的角度来看，u s b 系统可分为三个逻辑层：u s b 功能层、u s b 设备层和u s b 接口 层，且每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成，如图2 - 2 所示。这种分层结构简化了u s b 通信机制。 u s b 功能层：功能层实现u s b 设备的特定功能，由主机端的客户软件和设备端的功能单元组 成。这里的功能单元是对u s b 设备的抽象，被看作一个接口的集合。客户软件是主机端提供的， 仅仅对u s b 设备的接口感兴趣，逻辑上只需与功能单元进行通信。但实际上，客户软件通过调用 u s b 系统软件与u s b 设备进行通信，并不是直接访问功能单元。 u s b 设备层：u s b 设备层要求理解实际的u s b 通信机制和u s b 功能设备所要求的传输特性。 该层由主机端的u s b 系统软件和设备端的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，可以看作一个端点的集合，它们组成一个给定的功能接口。 u s b 接口层：u s b 接口层由主机端的u s b 主控制器( 包括根集线器) 和设备端篚j u s b 总线接e l 两部分组成，负责主机和u s b 设备间的数据和控制信息传输。 主机 物理设备 客户软件功能单元 u s b 功能层 tt u s b 系统软件u s b 逻辑设备u s b 设备层 u s b 主机控制器 u s b 总线接口 u s b 接口层 _ _ _ _ - 实际通信流 逻辑通信流 图2 2u s b 系统的逻辑分层结构 2 1 3u s b 总线数据通信流 u s b 是为主机软件和它的应用设备间的通信服务的，对客户与应用问不同的交互，u s b 设 备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供了更好的总线使用机制，它允许各种不同的数据流相互 独立地进入一个u s b 设备。每种通信流都采取了某种总线访问方法来完成主机上的软件与设备 之间的通信。每个通信都在设备上的某个端点结束。不同设备的不同端点用于区分不同的通信流。 1 设备端点 端点是可惟一识别的u s b 设备的一部分，它是主机与设备间通信流的一个结束点。一系列 7 中囝农业人学硕十学位论文第2 帝研究技术基础 相互独立的端点在一起构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备有一个惟一的地址，这个地址是在 设备连上主机时由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有惟一的端点号。这个端点号是 在设备设计时被给定的。每个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持其 流出设备，两者不可得兼。 2 u s b 通道 u s b 通道是设备上的端点和主机上的软什之间的联系。体现了主机上缓存和端点间传送数据 的能力。 u s b 有两个不同且互斥的通道通信格式。 流( s t r e a m ) ：指不具有u s b 定义的格式的数据流。 消息o “e s s a g e ) ：指具有某种u s b 定义的格式的数据流。 u s b 不解释在通道中传送的数据的内容。消息通道要求数据组织成u s b 定义的格式，但它 的内容u s b 是不管的。 3 传送类型 u s b 通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。在消息通道中传递的数据具有u s b 定 义的格式，它的数据净荷区中包含的数据允许具有设备指定的格式。u s b 要求任何在通道上传送 的数据均被打包，数据的解释工作由客户软件和应用层软件负责。u s b 提供了多种数据格式使 之尽可能满足客户软件和应用软件的要求。一个 r p ( i o 请求包) 需要一个或多个总线处理事 务来完成。 u s b 定义了4 种传送类型： 控制传送：可靠的、非周期性的，由土机软件发起的请求或者【亓| 麻的传送，通常用于命令 事务和状态事务。 同步传送：在主机与设备之间的周期性的、连续的通信，一般用于传送与时间相关的信息。 这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。但这，f = 不意味着传送这样数据的时间总是很重 要的，即传送并不一定很紧急。 中断传送：小规模数据的、低速的、州定延迟的传送。 批传送：非周期性的，大包的可靠的传送。典型地用于传送那些可以利用任何带宽的数据， 而且这些数据当没有可用带宽时，可以容忍等待。本研究中数据采集器传送的数据即采用批传送 的方式。 下面介绍本研究中用到的两种传送方式：控制传送和批传送。 控制传送 控制数据传送是虽为复杂的，也是最为重要的数据传送类璎。当u s b 设备初次安装时，u s b 系统软件使州控制数据传送对设备进行设置，交换信息、设备地址和读取设备的描述符。在开发 u s b 系统时，首先要完成的任务就是要利用控制传送方式完成设备的枚举过程，冈此也是最为重 要的数据传送类型。 设置阶段 初始设置的步骤结构示意如图2 - 3 所示： 初始设置步骤由1 个s e t u p 事务构成。该书务由令牌包、数据包和握手包组成。主机发送 s e t u p 令牌包，然后将发送嗣定为8 个字霄，p i d 为d a t a o 包，用米传送命令信息，通知硬备提 8 中国农业大学硕十学位论文第2 章研究技术摹础 供哪些数据，依次进行配置。设备在接收到主机的命令信息后，返回p i d 为a c k 的握手包。此后， 总线进入空闲状态准备进入“数据阶段”。 空闲 图2 _ 3 控制传送的初始设置步骤 数据阶段( 可选) 如果在上一步命令要求进行读，写数据的话，这一个阶段将负责交换数据。如果没有数据交换 的要求，这个步骤就可以省去了 数据阶段包括一个或多个i n o u t 事务，并负责传送具有u s b 定义格式或设备类自定义格式的 数据。其传送方向和长度均由设置阶段制定，并根据具体请求的不同而不同。 状态阶段 状态阶段是控制数据传送的最后一个阶段，由一个小事务或一个o l r r 事务组成，并总是使用 p i d 为d a t ai n 的数据包。状态阶段的传送方向与数据阶段正好相反，也就是说如果数据阶段的 传送方向是o u t ，则该状态阶段将包含一个j n 事务；如果数据阶段的传送方向是l n ，则该状态阶 段将包含一个o u t 事务；如果控制传送没有数据阶段，则其状态阶段应使用l n 事务处理。状态阶 段用于u s b 设备向主机报告其控制事务设置阶段和数据阶段的传送结果，报告方向总是从u s b 设 备到主机。 批传送 批传送适用于传送大量数据，且对传送时间无要求的传送，适合于打印机和扫描仪类设备。 批传送可以传送大量数据而不会阻塞总线，因为它会让其他传送类型先执行，等待可以传送的时 间再进行传送。一个闲置的总线中，批量数据传送是速度最快的。另外，它采用差错控制和重试 机制来确保数据传送的正确性。只有高速和全速设备才可以使用批量数据传送。打印机和扫描仪 属于这种类型。这种类型的设备适合于传送非常慢和大量被延迟的传送。 2 2p d a 及其软件开发基础 2 2 1 掌上电脑( p d a ) h a p 0 2 0 8 介绍 本设计所实现的数据采集系统中，p d a 是可裁剪、可替换的，即用户可根据实际需要来选择 p d a 终端，只需相应的数据采集软件支持即可1 3 “1 ” 9 ：i i i i - i i ：；- i 中困农业人学顾卜学位论文第2 章研究披术基础 这里选用的p d a 型号为h a p 0 2 0 8 ，对比通用p c ，具有成本低、体积小，设备轻便等优点， 而且透反式n 可显示屏在即便在阳光下仍具有相当高的可见度，自带电源可连续使用8 个小时以 上，因此h a p 0 2 0 8 比较适合应用于田间数据采集。其操作系统采用w i n d o w s c e n e t 4 2 ，相应的 开发环境也较为完善，其应用程序的开发已经可以与p c 上应用程序的开发一样方便。 表2 - 1 给山本系统选用的p d a ，h a p 0 2 0 8 的具体硬件配置。 表2 1p d a - h a p 0 2 0 8 硬件配置表 项目类型 处理器类型 处理器主频 探作系统 内存 存储容量 显示屏 输入方式 电池技术 电池数量 平均使用时间 电源支持 接口 通讯 连接设备 扩展槽 尺寸( j a m ) 蕈壁( 曲 i n t e lp x a 2 5 5a p p l i c a t i o n sp r o c e s s o rw i t hi n t e lx s c a l e 3 0 0 m f h z w i n d o w sc e n e t 4 2 3 2 m bs d r a m 3 2 m bf 】l a s hr o m 透反式3 5 寸1 f r 显示屏6 5 k 色2 4 0 x 3 2 0 l e d 背光 全屏手写、屏幕小键盘 1 1 0 0 m a h 锂聚合物电池 1 5 8 小时 4 8 v 2 a c ft y p ei 、u s b l 1c l i e n t ，i r d a l 2 u s b l 1c l l e n t 、r s 2 3 2 、i f d a l 2 p c 邙t y p e l 1 2 2 x 7 7 x 1 5 j 1 3 9 2 2