（机械制造及其自动化专业论文）基于usb与dsp的数据采集系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 高速串行总线( u s b ) 作为一种新兴的计算机外设总线标准，从标准的出现到大规模 的应用，仅用了短短几年时间，这一切都得益于它的易用、真正的热插拔、高性能和系 统造价低廉等优点。同时随着我们所处的工业环境越来越复杂，现场工程师不断增加了 对监控这些工业环境设备的易用性、简单性的要求。而工业系统中的各种监控设备中， 最核心的技术就是数据采集和分析控制系统。这些都离不开d s p 技术发展和支持。怎样 利用最新的技术来满足这种需求，是本论文的主题。 u s b 技术和d s p 技术的结合提供了一种新型的数据采集系统解决方案。u s b 使系统 具有简单的接口界面、优秀的可扩展性，使整个系统变得如流水线一般的简洁、流畅。 而d s p 技术提供了处理复杂运算的能力，能满足复杂工业环境所要求的大量运算，它们 的结合满足了新型数据采集系统的需求。 全文共分为两个部分，第一部分“新技术的出现_ _ u s b ，d s p ”主要描述了数据采 集系统的演变，新型工业环境对数据采集系统的要求，新技术u s b ，d s p 的出现对数据 采集系统设计的影响。第二部分“u s b 的解决方案”重点描述了如何开发一个基于u s b ， d s p 的新型数据采集系统，对系统进行了详细的需求分析并给出了系统体系结构。它共 分三章分别对d s p 系统中的u s b 设备硬件系统方案，固件及u s b 的主机驱动接口进行了 描述并提供了相应的解决方法。 本课题研究了u s b 技术在d s p 数据采集系统中的应用，并给出了一个可行的整体开 发解决方案。 关键词 d s pu s b 数据采集系统高速串行总线解决方案 一一一窭兰缨主堡型堕型型皇塑 a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s 町s b ) i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t si np c p e r i p h e r a l i n t e r c o r m e c t t e c h n o l o g y s i n c et h ei n t r o d u c t i o no fs e r i a la n dp a r a l l e l p o r t s i nt h ee a r l y 1 9 8 0 s t h eb e n e f i t so f u s b ，s u c ha se a s eo f u s e ，t r u e p l u g a n d p l a y ，h i g hp e r f o n n a n c e ， a n dr e d u c e do v a l a 1 1s y s t e mc o s t ，a r ei u s taf e wo f t h el e a s o d st h i st e c h n o l o g yh a s g o n ef r o m s p e c i f i c a t i o n t op r o d u c t d e v e l o p m e n t i nl e s st h a nf e w y e a r s ，a t t h es a r f l et i m e ，吐l ec o n d i t i o n a r o u n dt h e 麟h i n e si nt h ei n d u s t r yf i e l di sm o r e c o m p l i c a t e d 明1 er e q u i r e m e n t i si n c r e a s i n g t om a k et h o s em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t sm o r es i m p l ea n de a s eo fl 1 s ef r o mt h e f i e l de n g i i l e e r s a n da sy o uk n o w , t h ek e y t e c h n o l o g yi nt h o s em o n i t o r i n gd e v i c e su s e di nt h e i n d u s t r yi sd a t aa c q u i s i t i o n a n a l y s i sa n dc o n t r o ls y s t e m sd e s i g na n dd e p l o y m e n t 触1o f t h e s e d e p e n ds t r o n g l yo n t h eu s eo f d s pa n di ts e i f sd e v e l o p m e n t h o wt ou s et h el a t e s tt e c h n o l o g y t os a t i s f yt h ea b o v e r e q u i r e m e n t i st h i sp a p e r sm a i n g a i n m a k i n gt h ed s p a n du s b t o g e t h e rc a np r o v i d ea ne x c e l l e n td a qs o l u t i o n , u s bg i v e t h es y s t e mav e r ys i m p l ei n t e r f a c e g o o de x t e n s i o n , a n da l s om a k et h es y s t e ml i k em o r ea p i p e l i n e t h ec o m p l e xd a t ao p e r a t i o nl e ri nt h ed a qs y s t e mc a nb ed o n eb yd s p w h i c h p r o v i d e as 订o n ga b i l i t yi nd a t ap r o c e s s i n g t h e r ea r et w op a r t si nt h i sp a p e r t h ef i r s t 7 n e wt e c h n o l o g y , u s b d s p ”。c o n s i s to f 也ee v o l u t i o no ft h ed a q s y s t e m n e wf e m i t r e so fd a qs y s t e mn e e d e db ym o d e mi n d u s t r y , h o wt h ed s p & u s ba f f e c tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e t h es e c o n d ，t h eu s bs o l u t i o n ，a n d s h o w sas t e p b v s t e pm e t h o d o l o g yt od e v e l o p m e n tan e w d a qs y s t e m b a s e di nu s b & d s p i i n 扛o d u c ead e m oh o wt oa n a l y s i sad a q s y s t e ma n dc o n s t r u c ti t ip r o v i d e t h r e ec h a p t e r st o s h o wt h ed e t a i l sa b o u th o wt od e s i g na n dd e v e l o pt h eh a r d w a r e ，f i r m w a r ea n dh o s ts o 盘w a r e o ft h eu s bd e v i c e 。w h i c hi so r l eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e si nt h ed a q s y s t e mb a s e d i n u s b & d s p 碱sm s d e g r e ep r o j e c t sm a i ng a i ni st or e s e a r c h & d e v e l o pt h eu s bt e c hi nd s p s y s t e m a n dp r o v i d e ad o a b l et o t a ls o i n t i o n ， k e y w o r d s ：d s p u s b d a qs y s t e mh i g hs p e e d s e r i a lb u ss o l u t i o n 2 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了电量记录分析仪在电力系统分析与控制领域的作用和意义，阐述了电量 记录分析仪的发展状况和发展趋势，分析了d s p 和u s b 技术在电力系统中的应用前景， 以及本课题所做的工作。 1 1 电量记录分析仪在电力系统分析与控制领域的意义 对电力系统中各变量的实时波形进行监测与分析可以准确反映出电力系统的实际 运行状态，由于电力系统暂态过程非常短暂，以目前的技术水平难以完成实现在线数据 分析，从而需要借助于电量记录分析仪先将所检测的电量录波，然后再进行分析。从录 波内容来看可分为谐波电量录波和故障电量录波两大类，谐波电量录波主要用于对谐波 源的检测，分析谐波信号内涵，找出变化规律，为电网谐波治理提供依据。故障电量录 波主要用于记录电力系统故障时各电量的变化情况，为电力系统故障分析和保护的动作 行为分析提供依据，因此开发电量记录分析仪是电力系统分析与控制的一个重要的研究 领域，对电力系统的分析与控制具有重大的理论意义。 电量录波是电力设备实验及各种故障分析的有效措施之一，一般在投产发电机及其 辅助设备在安装运行前或大小检修调试之后，按照规程规定都要进行一系列有关发电机 及励磁系统的多项相关试验，传统的方法是对静态特性采取常规仪表人工逐步完成，动 态特性采用光线示波器进行录波，主要依靠十六线光线录波器，试验人员需要根据录波 图分析发电机及励磁系统特性，存在着繁锁的试验、需要的试验设备多。有些信号( 例 如转子电流、转子电压等) 没有合适的测量通道。另外由于试验人员对发电机及励磁系 统熟悉程度的不同，试验结果的分析也有差别，不能准确的反映发电机及励磁系统的相 关特性。可能造成电力系统的发电机和励磁机故障的危害是极其严重的。为了彻底替代 光线示波器、解决现场录波及数据记录的困难、提高现场试验的工作效率、准确性、减 轻工作人员的工作量，开发便携式波形记录分析具有现实的重要意义 为了适用于发电厂、变电站、实验室的动态( 静态) 试验录波及静态试验数据测量 与记录，特别适合发电机及励磁系统试验。研制出新型便携式波形记录分析仪器使之满 足发电机及励磁系统试验( 包括发电机机端短路试验、发电机变压器组开路试验、发电 机励磁系统时间常数试验、发电机零起升压试验、发电机灭磁试验、发电机逆变灭磁试 验等) ，可按国标的要求分析计算得出励磁系统的各项技术和性能指标。同时还能满足 类似的高压试验，继电保护试验，继电器校核试验。所以便携式波形记录分析仪在电力 系统的常规的电气试验记录方面，具有很广泛的应用前景。 1 2 电量记录分析仪的现状和发展趋势 1 2 1 电量记录分析仪的现状和发展趋势 ( 一) 国内电量录波仪的发展现状 在国内的电量记录分析仪研制与开发中，先后有光线式录波仪n ”，磁带式录波仪和 微机式录波仪等产品应用于电力系统，由于微机式录波仪具有较高的性能价格比，因此 逐步占据了主导地位。 目前在电力系统中广泛使用的微机式录波仪基本上是8 0 年代的产品，这些装置对 改善电力系统配置，提高系统的可靠性产生过重要贡献，但是，进入9 0 年代后，随着 计算机技术的飞速发展，电力系统自动化水平也迅速提高，信息处理能力大大增强，相 比之下，使用这种微机式电量录波仪的许多性能指标已显得落后，特别是用于故障录波 分析时，其不足之处显得越发突出主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 硬件配置不合理。由于多数采用主从式结构n “，数据的采集与分析处理分别由前、 后台机来完成，因此，系统的硬件配置重复，中间环节多，特别是数据传送的瓶 颈效应对录波内容的及时显示、传送极为不利。 ( 2 ) 系统容量小。由于受到系统本身结构的限制，无论是同时录波的信号回路数，还 是录波数据的存储容量，其容量都非常有限，而且冗余度很小，即系统不可能增 容和升级。 ( 3 ) 高频录波功能欠佳。高频录波一方面可用于电网谐波电量的检测与分析，另一方 面可用于高频保护的动作行为分析。要实现高频录波要求计算机有较高的运算速 度和较大的存储容量，这对目前的微机式录波仪来讲都是较难做到的，因此，除 专用的谐波记录分析仪外，大多数微机式录波仪的高频录波性能欠佳。 ( 4 ) 在线数据分析功能差。有些微机式录波仪只是如实地记录各电量的变化波形，然 后由打印机打印输出，没有在线数据分析，有些虽然有在线数据分析功能，但只 能做一些简单的分析，且准确度差( 如故障测距误差大) ，其主要功能仍是录波 打印，没有充分发挥计算机的智能作用。 ( 5 ) 网络通信功能有待于开发。将各个发电厂、变电站的电量录波装置的录波数据及 时传送到调度中心，可以使调度中心及时、全面、准确地掌握故障情况，从而快 速准确地处理系统故障。日前国内使用的微机式录波仪虽具备数据通信条件，但 均为串口通信，数据传输速率低，不具备联网通信的功能。 ( 6 ) 时钟对时不精确。现有的录波装置的时钟多采用人工对时，使得各录波装置的时 钟基准不统一，在利用双端乃至多端录波数据分析系统事故原因时，带来许多不 利因素，特别是无法对不同站点相位差变化的过程进行测量与录波，而电力系统 实时相角的检测对电力系统稳定监控具有重要意义“”。 ( 7 ) 装置的可靠性差。目前使用的微机式录波仪的可靠性设计指标较低，装置误起动、 死机时有发生。 2 第一章罐论 ( 二) 国内外电量记录分析仪的发展趋势 从国外的研究概况看，最先进的电量记录分析仪是日本臼置公司的8 8 5 5 电量( 波形) 记录分析仅采用3 2 位d s p 高速处理器1 6 位a d 模数转换2 0 m b p s 高速数据采集，配套 的高性能的电基波形分析软件，内置计算机接口、打印机等强大功能。另外，美国的f l u k e 公司，a g i n e n t 公司，日本建伍公司等都在研制与开发高性能的电量记录分析仪 针对国内现在使用的电量录波仪的不足之处，目前的研究方向主要集中在两个方 面；一方面是研制新一代高性能的微机式录波仪啪，；另一方面是开发现有录波仪的网络 通信功能，借助于信息共享来提高录波数据的处理能力。 在研制新型录波仪时，许多最新的计算机技术和最新的集成芯片得到应用，主要有 以下几方面： ( 1 ) 采用更合理的系统结构以提高数据传输及数据处理的速度。例如，以p c 总线方 式实现的电量录波监测，系统就是将数据采集单元作为一个扩展板直接插接到工 控机的总线上，从而消除了数据传递的瓶颈效应。由于采用标准化的p c 总线结 构，还使得系统具有较高的可靠性和较好的兼容性，而且，便于进一步扩展。 ( 2 ) 提高数据采集与处理的速度的另一种有效方法是采用并行处理结构。例如，系统 的数据采集单元可采用高性能的单片机如8 0 c 1 9 6 等，系统的数据处理单元可采 用专用的高速数字信号处理器如t m $ 3 2 0 c 4 0 等，两个微处理器之间采用大容量双 端口r 枷来实现数据共享。该结构的特点是系统紧凑，性能价格比高，但是，系 统的兼容性差。 ( 3 ) 采用高性能的微处理器芯片或高档微机构成录波装置以提高系统的数据处理能 力，并采用大容量s r a m 芯片以提高系统的内存容量，如内存容量可达到i m b i t s 以上。 ( 4 ) 加强网络通信功能，实现录波数据远方交换。在微机式录波仪中插入网卡就可利 用微机网络远传数据，或插入f a x 卡利用电力系统电话丽远传数据。 ( 5 ) 具有g p s 自动对时功能。可以实现同步数据采样及准确的相角测量。 另外，随着微机保护装置的迅速发展，将录波装鼍与保护装置融为一体的方案也是 一个发展方向。以基于多主结构和高速总线的保护系统为例，它将数据采集、管理、录 波、保护等功能由多个c f u 主板分别实现，而且备c p u 主扳能够通过高速总线共享采集 数据和存储空间。由于信息共享消除了硬件的重复设置，因此，装置的性能价格比得到 提高。 在电量录波分析技术方面，新型电量录波装置应具有较强的在线数据处理能力，能 对录波数据及时进行分析处理，在录波结束后自动打印出详细的录波数据分析报告，而 对录波波形则可按需要打印。装置以电量录波为主转为以电量检测与分析为主。随着网 络通信功能的加强和6 p s 等新技术的应用，录波装置可实现精确的相位测量，并对系统 稳定性作出及时准确的分析与预测。对于故障录波装置应该具备精确的故障定位的能 力。同时，由于采样速率的提高和数据存储容量的扩大，故障录波装置也可以实现高频 电量的录波与分析。 通过以上分析可以看出，随着技术的不断发展，研制新一代微机式电量录波仪已势 在必行，新装置应在数据处理速度和存贮容量上有较大提高，具有较强的在线数据处理 能力和数据通信能力。 基于u , c b 与o s p 椎彀嚣采集系统秘设计s 实现 1 2 2 电量录波分析技术的现状和发展趋势 对谐波电量分析的主要目的是测量电力系统中高次谐波的含量，目前采用较多的方 法是快速傅里叶变换法( f f t ) ，它可以满足电力系统谐波检测与抑制的基本要求。但是， 由于实际电力系统中的谐波除了含有稳态谐波外，还含有动态和突发性谐波，使得采用 傅里叶变换法的谐波测量精度受到限制。这是因为傅里叶变换法所得到的频域信息是被 测信号在整个时域的平均，从而无法给出局部时间的频域信息。针对傅里叶变换法的不 足提出了许多新的谐波检测方法，如短时窗及可变时窗的傅里叶变换法，以及采用人工 神经网络口“和小波变换法n 钉等最新的数字信号处理技术来提高谐波检测的精度，但这 些方法目前大多处于理论研究阶段，若付诸实际应用，尚有许多技术问题有待进一步完 善。 对故障电量的分析包括确定故障类别，确定保护装簧动作行为是否正确以及确定故 障位置。由于精确的故障定位可以极大地缩短巡线时间，从而提高系统运行的可靠性和 经济性。区此，故障测距也就成为故障分析技术发展最快的一个领域 在早期由于受通讯技术及装置成本等因素的制约，故障测距的研究多集中于利用本 地故障信息进行测距，即所谓单端故障测距。并有一些实际装置投入运行，取得了明显 的效益。基于单端电气量的故障铡距方法要解决以下几个问题： 1 故障点过渡电阻。 2 对侧系统运行阻抗。 3 负荷电流。 针对以上问题进行了许多研究，在一定条件下提出了一些有影响的算法，但是，从 理论上说单端电气量的测距算法受对端系统阻抗变化的影响不易消除，这导致在经过过 渡电阻短路时，测距出现很大误差。随着电网自动化水平的提高以及通讯技术的飞速发 展，线路两端的数据交换已十分容易，利用线路两端的信息进行故障定位成为可能。 基于输电线路双端信息的定位算法不存在原理性误差，但是双端数据的同步误差、 输电线路实际架设的不对称性以及线路长度误差等都将对定位精度造成影响。对于以上 问题，目前有多种解决方案，例如，对于双端数据的同步采样问题，可以引入两端阻抗 量进行定位计算，从而避开了两侧电压电流的同步采样问题，或者，引入全球卫星对时 系统( g p s ) ，借此技术来实现双端同步数据采样等。而对于输电线路实际架设的不对称 性而引起的测距误差的问题，可采用模式传输理论来分析不对称三相系统，以提高测距 精度。 利用双端电气量进行故障测距的方法，目前还基本上处于实验室研究阶段，在实际 装置上的应用尚不多见，但从提高故障定位精度的效果来看，该方法具有良好的发展前 景。 4 1 3d s p 和u s b 技术在电量记录分析仪中的应用 1 _ 3 1d s p 技术在电力系统中的应用前景 随着我国电力系统的飞速发展，传统的电量录波装置在性能方面，己不能满足电力 系统以及变电站自动化发展的要求。特别是在装置的前置采样单元中，由于受到传统设 备作为运算和控制核心的单片机，在数据处理能力方面的限制，其数据采样频率和精度 无法大幅度提高，装置的启动算法以及采样数据实时处理方面，也无法进一步运用各种 新型的数字信号处理方法，来全面的提高和完善装置的性能。而数字信号处理芯片( d s p ) 2 2 - 2 3 作为一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有相当强大的数据 处理能力。它以其快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用的乘法器、特殊的d s p 指令，以及集成电路上的优化设计，使之在相同的主频下，甚至要比目前最先进的个人 计算机快1 0 倍5 0 倍。另外，d s p 可以不再单纯用作数据采集，它还同时能肩负以往 主c p u 完成的主要运算和控制功能。因此d s p 技术与高速a d m 3 以及现代计算机技术的 结合，将可以进一步提高和完善微机保护、故障录波等对实对要求很高的装置。因j 匕d s p 技术在电力系统中具有广泛的应用前景田】。 基于以上考虑，本课题将运用d s p 技术进行新型便携式电量记录分析仪的研制和开 发，即以d s p 技术改造传统的电量录波设备，充分发挥其在信号处理及数字运算方面的 强大功能，同时结合信号采集、处理、压缩、监测等方面的理论，研制一套启动可靠、 录波数据精确、通讯灵便的新型电量录波装置。本装置的研制将弥补目前电量录波装置 的诸多不足，同时完善和满足目前电力系统运行中对录波数据及装置提出的各种要求， 这对保证电力系统的安全、可靠和经济运行有着积极和重要的作用。 1 3 2u s b 技术在电力系统中的应用前景 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革陋”。目前在统一的u s b 接口 上实现了中低速外设的连接，例如键盘、鼠标、显示器、数字音响及调制解调器等；u s b i 0 的数字传输率达到1 2 1 v l b p s ，u s b 2 0 达到了4 8 0 m b p s 。因此将可用于更多的新型外设， 并可很好地满足视频图像的实时传输要求；u s b 采用差分传输方式，具有很好的传输可 靠性：设备的控制、管理和信息交换完全是由系统软件按u s b 协议进行传输，因此不 存在设备占用资源冲突而导致系统的紊乱问题；u s b 技术具有开放性，是非赢利性的规 范，得到了广泛地工业支持。而对于p c 机用户来说，u s b 实现了真正的即插即用和热 插拔，当用户需要将外设连接到p c 机上对其进行功能扩展时，只需要拿起外设的接线 将它插入到p c 机的u s b 接口上就可以了，剩下的一切都有操作系统来处理。再多的外 设( 只要不超过1 2 7 个) 通过u s b 集线器就可以实现和计算机的相连。因此，u s b 技 术的提出是基于采用通过连接技术实现外设的简单连接，达到方便用户、降低成本、扩 展p c 机连接外设的目的，使p c 机的功能扩展变得非常的简单方便，并能最大限度的 降低用户对计算机技术的需要，使所有的外设均成为“傻瓜”式设备。对于工业应用来 说，u s b 本身就是一种工业机总线标准，其可靠等级可以很好的满足工业现场测量控制 系统的要求。另外，由于其所具有的外挂式特点，它可很好的满足工业测量的环境要求、 可容易地实现完全的光电隔离、测量系统的改变和扩展都很容易和方便。 纵观国内的传统电量记录分析仪与上位机通讯的方式有串口和并口的微机通讯方 式。在通讯速度、设备安装与扩展、容错型与稳定性、实现成本等方面相比，u s b 接口 更胜一筹。u s b 接口具有更广泛的应用前景，为了体现出本系统的便携式，上位机采用 笔记本电脑，通过u s b 总线与下位机进行通讯传输数据。 1 4 本课题所做的工作 根据前面所述，本课题针对电量录波仪的发展趋势开发了便携式波形记录分析仪， 其中重点研究并解决了如下几方面的问题： ( 一) 、本系统电量记录分析仪需要采集数据为1 6 个模拟量通道及8 个开关量通道； 1 、模拟量输入：1 6 路，其中1 0 路具有电气隔离，6 路标准1 0 v 信号无隔离( 此6 路通道主要考虑各种变送器的信号) 。具体参数为： ( 1 ) 交直流高压隔离强信号，2 路独立，量程分为：2 0 v 、1 0 0 7 、5 0 0 v 、2 0 0 0 v ( x t 于交流量为峰值) ，每路有滤波器( o f f 、1 8 0 0 h z 、3 0 0 h z 、5 0 h z ) ，可接受1 0 m a 信号。铡量精度0 5 ： ( 2 ) 交直流高压隔离弱信号：2 路独立，量程：7 5 m y 、1 0 v 、1 0 0 v 、5 0 0 v ( 对于 交流量为峰值) ；每路有滤波器( o f f 、1 8 0 0 h z 、3 0 0 h z 、5 0 h z ) ，可接受1 0 m a 信号。测量精度0 5 ： ( 3 ) 工频电压信号，4 路独立，量程为1 3 5 v ( 测量精度0 5 ) ，记录值为交流 量，可自动转化为有效值。测量精度0 5 ； ( 4 ) 工频电流信号，4 路独立，量程为1 3 5 v ( 测量精度0 5 ) ，记录值为交流 量，可自动转化为有效值。测量精度0 5 ； ( 5 ) 普通交直流电压信号4 路，量程1 0 v ( 测量精度0 5 ) ，记录值为交流量， 交流量可自动转化为有效值。寝量精度0 5 ； ( 6 ) 标准电流信号4 路，量程4 - 2 0 m a 测量精度0 5 。 2 、开关蠡输入：8 路，采用空节点输入方式。 ( 二) 、a d 采样速度最大为每通道4 0 0 k s p s ，采样精度( 分辨率为1 4 位) ；采集容量静态 s r 嬲最大可达1 6 t d b ； ( 三) 、提供电量记录分析仪系统模板及用户模板，系统模板具有典型试验设置，减少 了用户的设置工作量；用户模板容许用户事先设置好各种试验的参数设置，可加 快试验速度。 ( 四) 、硬件方面：需要设计出便携式波形记录分析仪系统的主板、存储器板、变送器 板原理图和p c b 图以及电路板实物； ( 五) 、软件方面：需要设计出详细的u s b 2 0 接口芯片i s p l 5 8 1 的固件流程图和源代码。 6 w _ - i pu s b 总翁铸议概述 第二章u s b 总线协议概述 为了设计一个u s b 设备，首先必须理解u s b 总线协议。u s b 协议1 1 版共有2 8 1 页， 但是幸运的是，正如协议本身所声明的，并不是必须通读整个协议后才能开始设计一个 u s b 设备。本章给出足够的关于一个设计u s b 设备的知识，这些都是对u s b 协议的简化， 详细的内容可参考协议本身“”。 u s b 的设计目标，如易用、真正的热插拔等，u s b 总线是一个可以被很多p c 机外 设共享的一条串行总线，带宽为1 2 m b p s ，最多可同时连接1 2 7 个p c 机外设。它有四根 连接线：一根电源线，一根地线，两根数据线。它是一个令牌式总线协议，u s b 的主控 制器( h o s t ) 是整个总线的中心。主控制器在u s b 总线上广播信令，而总线上的设备接受 信令并进行地址比较，如果地址相符则根据信令给主控制器相应的回答。它通过时分复 用( t d m ) 方式，每i m s 形成一个u s b 帧，让所有的设备共享1 2 m b p s 的带宽，主控制器管 理所有设备的总线请求和调度总线。 2 1o s b 总线的拓扑结构 u s b 协议定义了u s b 系统中两个主要部分：u s bh o s tp c 和u s b 设备，及其它们之 间的连接和通讯方式。它的物理拓扑结构如图2 一l 所示，是星型总线结构。 在一个u s b 系统中，只有唯一的一个主控制器( h 。s t ) 。u s bh o s t 就是一个集成了包 括硬件、固件、软件的u s b 主控制器的p c 。本文主要描述u s b 设备的开发，关于h o s t 的详细介绍可以参考u s b 协议的第1 0 章。h o s t 是整个u s b 系统的中心，它控制和调度 整个u s b 总线的活动。为了连接更多的设备。一个根集线器( r o o th u b ) 被集成在h o s t 中。 7 善于璐8 s d s p 曲箍景采集幕境酌设计s 实璃 图2 - 1u s b 总线拓扑结构 f i g2 - lt o p o l o g ys t r u c t u r eo fu s bb u s 有两种类型的u s b 设备；u s b 集线器和u s b 功能设备( u s bf u n c t i o n ) 。集线器为u s b 系统提供更多的功能设备连接接口，可以把它当作成连接更多设备的电气插口au s b 功 能设备为系统提供需要的功能，如键盘、游戏操纵杆等。本文主要的重点是u s b 的功能 设备，所以设备和功能设备并不区分。 2 2u s b 总线的数据流模型 u s b 提供了在设备和主控制器之间的通讯协议。尽管u s b 总线是一个星型的总线结 构，但u s b 设备到u s bh o s t 之间的连接可以逻辑上认为是一对一的，如图2 - 2 所示。 雷2 - 2u s b 系统的逻辑连接 f i g2 - 2l o g i cc o n n e c t i o no fu s bs y s t e m 一 丝兰鲤生垄堂型垡 它是u s b 系统的逻辑拓扑结构，数据流模型是基于这个逻辑结构的。 2 2 ，lu s b 的管道( 地址和端点) u s b 的通讯可以看作是用一个管道( p i p e ) 进行的，如图2 3 所示。 微管道( 端点) 图2 - 3u s b 的管道和端点概念 f i g2 - 3u s bc o n c e p t i o np i p ea n dp i o n t 它包括一个大的管道( 1 2 m b p s ) 和总共最大可达1 2 7 个的小管道。每一个小管道连接 到一个u s b 设备。在一个u s b 的信令( t o k e n ) 中，有7 个地址位( 详细的指令格式在u s b 的包格式一节中) ，所以应该可以有1 2 8 个不同地址的设备。但是地址0 0 0 0 0 0 0 b 被u s b 保留为缺省地址( d e f a u l ta d d r e s s ) ，每一个设备在上电时都是使用这个地址。这样一 来，u s b 所能支持的最大设备就只有1 2 7 个了。连蛩f 每个设备的小管道还可以被分成更 小的管道，称之为微管道，如图2 3 所示。 在一个小管道中最大有1 6 个微管道。这是因为在一个u s b 信令中有4 个b i t 的端 点( e n d p o i n t ) 位，这些信令可以标示成i n 和o u t 信令。一个设各收到一个i n 指令后， 它从设备向h o s t 发送数据，如果设备收到的是o u t 指令，它从h o s t 接受发送到设备的 数据。端点和微管道结合是为了更清楚的阐述u s b 管道的概念在u s b 系统中，这些端 点( 或微管道) 是最重要的概念。例如在一个多媒体u s b 设备中，一个端点传输数据，一 个端点传输声音，一个端点传输控制信息。所有的这些数据包要求不同的传输特性，如 文件中的数据传输( 例如，文件发送到打印机) 要求很高的准确率，一般误码率要求低于 i x l 0 1 0 同时，声音数据能够容忍i x l o 3 的误码率，却不能容忍过长的延时( 般延时 2 0 m s ，即认为效果已经很差) 。因此，u s b 通过管道的概念，即用不同的管道分离不同 的数据类型、数据源等，从而u s b 可以传输各种不同的信息。 9 基于u s 8 与d s p 的蕺器采集系境的设计s 实现 2 2 2u s b 的传输类型 共有4 种传输类型，1 ) 控制( c o r t r 0 1 ) ，2 ) 同步( i s o c h r o o u s ) ，3 ) 中断( i n t e r r u p t ) ， 4 ) 块( b u l k ) 。 1 ) 控制传输 控制传输是双向的，主要用来支持h o s t 和设备之间的配置、命令、和状态通讯。 一个控制传输包括2 到3 个阶段：建立阶段( s e t u p ) ，一个可选的数据阶段( d a t a ) ，状 态阶段。在建立阶段，h o s t 发送一个请求给设备。在数据阶段，数据按照建立阶段所要 求的方向进行传输。在状态阶段。设备返回一个握手信号给h o s t 。 任一个u s b 设备的端点0 都必须是控制传输端点。当设备第一次被连上u s b 总线时， 它用来交换信息( 可参考u s b 总线的枚举一节) 。u s b 通过c r c 校验( 可参考u s b 的包格式 一节) 并且如果错误不能恢复则重传，保证控制传输模式的准确性。 2 ) 同步传输 同步传输可以是单向的，也可以是双向的。它用在要求恒定传输速率，同时可以忍 受一定误码率的情况下。这种传输类型的一个成功应用的例子是6 4 k b p s 的通过脉冲编 码调制( p c m ) 的声音数据。声音数据要求恒定的传输速率同时能够容忍出错( 一般容忍最 大误码率为l x l 0 1 b i t ) 。 同步传输有以下特征： 保证带宽和延时 不重新发送发生错误的数据 在每l m s 的一个u s b 帧内，同步传输的最大包为1 0 2 3 字节长。这使同步传输的最 大带宽可达8 1 8 4 m h p s ； 3 ) 中断传输 中断传输是单向的，只能是从设备到主控制器。它用来传输小量的、经常发生的数 据。u s b 的中断传输是查询型的，也就是说，h o s t 按照端点的请求的时同间隔，不断的 问设备是否有数据需要传输。对于全速设备。端点可以设定查询时间间隔从i m s 到 2 5 5 m s 。对于低速设备，查询时间间隔将从l o m s 到2 5 5 m s 。因此，对于全速设备最快的 查询频率为i k h z 。在中断传输中，如果数据出错，那么在下一个查询周期中将重新传输 出错的数据。一个非常好的应用中断传输的设备例子是键盘，每当有键被按下时，它就 发送小量的数据到h o s t 。 4 ) 块传输 块传输可以是单向的，也可以是双向的。当需要传输大量的数据并要求高准确性， 同时对延时的要求不是很高时，就用块传输。块传输从设计上保证只请求u s b 总线上空 闲的带宽，因此块传输只发生在u s b 总线有可用带宽的基础上。如果在传输中数据出错， 数据将重发。典型应用是扫描仪，大量的数据需要不出错的传输但不要求马上传输。 l o 莽二掌璐b 总鳃协议穰避 2 3u s b 总线的机械和电气特性 有两种u s b 连接器：a 系列和b 系列。a 系列连接器如图2 4 所示 图2 4a 系列连接器 f i g2 - 4c o n n e c t i o no fa a 型连接器用来连接下游( d o w n s t r e a m ) 设备。例如，在u s bp c 后面有一个根集线器， 上面就是a 型连接器。b 型连接器用来连接上游的h u b 和设备，如图2 - 5 所示。 a 型连接 b 型连接器 图2 - 5a 型和b 型连接器的用法 f i g2 - 5t h ew a yo faa n dbc o n n e c t i o n 标准u s b 电缆包括一对2 0 _ _ 2 8 a w g 的供电电源线对，一对2 8 a w g 的双绞数据线，外 面包上屏蔽层。电缆的横截面如图2 6 所示。这个电缆是用来连接全速设备的( 速率为 1 2 m b p s ) 。 一一查至塑! 皇丝墼篓堂墨苎墨篓笪丝芝! 麴 图2 6 高速电缆段的横截面 f i g2 - 6s e c t i o no fh i g nc a b l e 对于带宽为1 5 晒p s 的低速设备，数据信号线可以使非双绞线的标准导线，也不要 求屏蔽。除了提到的区别外，全速和低速数据线在机械特性上是相同的。 正如图2 6 所示，一共有4 根u s b 传输线：一对电源线( v b u s 和g n d ) 和一对信号 线( d + 和d - ) 。对于全速设备，一个大小为1 5 k q 5 的上拉电阻需要接在d + 数据信号 线上，如图2 - - 7 所示。 图2 7 全速设备的上拉电阻连接示意图 f i g2 - 7u p r e s i s t a n c eo fh i g nd e v i c e 如图2 7 所示，在u s b 数据连接线上还需要一些串行电阻( 典型值为2 9 4 4 q 。对 于低速没备，1 5 k q 5 的上拉电阻需连接在d 一数据信号线上，供电电源在3 0 到3 6 v 之间。 第二章u s b 总线协议概述 2 3 1u s b 总线供电 u s b 总线可以对设备提供一定的供电，从根集线器或一个自供电的集线器的端口上， 可以提供4 7 5 v 一5 2 5 v ( v b u s ) 到o v 的电压。一个总线驱动型设备可以从根集线器或一个 自供电的集线器那里最大得到5 0 0 m a 的供电电流。总线驱动型设备的定义是设备直接从 u s b 总线上得到电流，那种依靠设备自身供电的设备也口q 作自供电设备。在u s b 设备第 一次连接上u s b 总线时，它所请求的电流量还没有得到h 0 s t 的保证时，这个设备从u s b 总线上得到的最大电流不能高于l o o m a 。对于连接到自供电集线器上的设备，所允许的 最大电流为1 0 0 m a ( u s b 协议1 1 第7 章) 。 2 4u s b 的包格式 u s b 的包有以下几种格式：信令，s o f ，数据，握手和特殊包。 2 4 1 信令包( t o k e l lp a c k e t s ) u s b 的一个事务( t r a n s a c t i o n ) 总是由h o s t 开始的，它以一个t o k e n 开始，格式如 图2 - 8u s b 信令包 f i g2 - 8u s bs i g n a lp a c k a g e 所有的包以一个同步域( s y n c ) 开始。输入电路用它来对接收韵数据与本地时钟进行 同步，长度为8 b i t s 。 在s y n c 后紧跟一个包的标识符( p i d ) ，一个p i d 包括4 b i t s 的数据位和4b i t s 的校 验位，如图2 9 所示。 型。 图2 啕p i d 包格式 f i g2 - 9p i dp a c k a g et y p e p i d 标识传输包的类型( 通过p i d o 和p i d i ) ，或者是信令，数据，握手或特殊包类 这四种类型的包同p i d 2 和p i d 3 被进一步分成以下具体信令，如表2 1 所示。 基于璐8s 璐p 的馥摆采集系镜的设计s 实现 表2 1u s b 包列表 包类型p ) 名p i d 3 ：p i d 2p 玎) l ：p 【d o 信令 o u t0 0 0 1 信令 斟1 00 1 s o f s o fo l0 1 信令 s e t u p1 10 1 数据 d 蛆1 a o0 01 l 数据 d 气t a l1 01 l 握手 a c ko o1 0 握手 n a k1 0i o 握手 s t a i i ，1 11 0 特殊 p r b 1 10 0 在u s b 中，发送是先从最低有效位( l s b ) 开始的，然后下一个l s b ，直到i v i s b ( m o s t s i g n i f i c a n tb i t ) ，在本章所有图示中，包都是按照其在u s b 总线上的发送顺序列出的， 即从左到右的读顺序。 a d o r 这个7 位的地址域表示设备的地址。在u s b 总线枚举过程中一次接入u s b 总线时， h o s t 给设备分配一个难一的地址a e n d p 这个4 b i t s 的徽管道域进一步表示数据包发送到一个设备的哪个微管道。例如，一 个设备有端点0 和端点1 被配置了，那么在这时，h o s t 可以选择和端点0 通讯而忽略端 点1 。 c r c 循环冗余校验( c r c ) 对u s b 信令包中除了p i d 域的其他域进行错误校验。正如图2 - 9 所示，p i d 域不被包括在c r c 校验中，是因为它自身包括了错误校验。 2 4 2 帧开始包( s o f ) s o f 包格式如图2 1 0 所示，h o s t 每隔1 o o s o 0 5 广播它一次。 图2 1 0u s b 的s o f 包格式 f i g2 - l ou s bs o fp a c k a g et y p e 1 4 第= 章u s b 意镜协议报述 p i d 用来标示它是一个s o p 包，在p i d 后面用一个l l b i t s 的数表示这个帧的序列号。 2 4 3 数据包 在u s b 中，h o s t 负责管理总线，设备响应来自h o s t 的请求。如果h o s t 想从设备取 得信息，它会向设备的端点发送一个i n 信令，设备收到后返回一个u s b 数据包。数据 包的格式如图2 - i1 所示，其中p i d 用来区分是d a t a o 还是d a t a l 数据包。 图2 - i 1u s b 的数据包格式 f i g2 - 1 lu s bd a t ap a c k a g et y p e 如果一个端点的传输类型是块、控制、或者中断传输，并且h o