（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的usb通道语音数据采集系统的实现方法.pdf

a b s t r a c t t a k i n g t h ed e s i g no ft h ei n d u s t r yo n l i n es t a t ed e t c c t i o nd a t aa c q u i s i t j o ns y s t e m a s e x a m p l e ，廿l ep a p e rd i s c u s s e st h em a i np r o c e s s e so nt h e s o f t 、a r ea 1 1 dh a r d w a r e d e s i g n b a s e do nd s pa n du s b w i 吐l 也ei n d u s t r i a le n v i r o 蛐e n tm o r ea n dm o f e c o m p l i c a t e d ，t h ee a s i n e s sa n d s 主n l p l e n e s so f t t 蛇m o n i 娜n gi n 出l s t r ye n v i r o n m e n te q u i p m e n ta 咒b e c o m i n g m o r ea n d m o r ei m p o n a n t t h e n u c l e 盯t e c h n i q u e i sd a t a a c q u i s i t i o na n d s y s t e m - a n a l y s i si na l l k i n d so f s u p e r v i s o r yd e v i c e s a c c o r d i n g t ow i d e s p r e a dd a t aa c q u i s i t i o np r o j e c t ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r da n e wd a t a a c q u i s i t i o np r o j e c tb a s e d o nu s ba n dd s p t h eb k f o u n di si n 仃o d l l c e di nt h ep a p e r t l l ef e a t u f eo fd a t aa c q u i s i t i o no b j e c t i s a n a l y z e d t h ed e s i g no fs y s t e mh 盯d w a r ec i r c u i t 柚du s bf i m w a r ea n dd i r v e r p r o g r a m m i n g 盯ee x p a t i a t e di nd e t a i l l i n e a r p r e d i c t i v ec o d i n gi n p h o n e t i cs i g n a l p r o c e s s i n go n d s pi si n 虹d d u c e da sw e l l b a s e do n 也er e s e a r c h h i e v e m e n t so ft r a d i t i o n a id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，l e p 印e ra c c o m p l i s h e s a l it h es t 印o f d e v e l o p m e n t sb a s e do nd s pa l l du s b ，g i v i n ga d e t a i l e dd e s i 鲈d o c u m e n t 矗o mt o t a lp r o j e c t ，h a r d w a r cc i r c u i t ，s o f t w a f ep r o g r 锄， p e r f b n n a n c e t e s t e t c t h em a i nw o f ki sd e s c r i b e da sf o l l o w ： 1 c 0 1 l e c t i n g 托dr e a d i n g t h ed 锄e s t i c 缸di n t e m a t i o n a lr e f e r e n c ed o c u m e n t s ，o n t h eb a s eo ft h e 如n c t i o na l l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu n i v e r s a ls e r i a ib u s ，c h o o s i n g p d i u s b d l 2 踮i n t e r f h c ec h i p ，f o l l o w e d b yh a r d w a r ed e s 硒蛆df i r i n w a r ea n d 矾v e r d e s i g n 2 a p p l y i n gl p c d a t ac o m p r e s st e c h n i q u e ，u d d e rm ec o n 订o lo fd s p ，r e a l i z i n g s u p e r - s p e e d 饥m s m i s s i o n i nd 砒a 1 “yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；u n i v e r s a ls e r i a ib u s ；d s p ； f i m l w a r e ；w d m d e v i c ed r i v e r ；l i n e a rp r d i c t i v ec o d i n g i i 第章绪论 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 数据采集是控制系统中至关重要的一个环节，在工业生产和科研中常常需要 对各种数据进行采集，如温度、压力、液位、流量等。与采样系统不同，数据采 集系统不仅仅包括信号的取样而且还包括信号的传输和处理过程，而采样系统仅 仅指信号的获取。采样包含于采集之中，要进行采集必须先进行采样，因此，采 样而来的数据要能真实反映原始信号的信息。由香农定理可知：采样信号的频率 必须大于或者等于最高信号频率的两倍m 。 目前，国内外数据采集系统多采用实时存盘卡形式的嵌入式系统板卡来实现 】。一般的数据采集处理系统的组成框图如图1 1 所示。它们的共同特点是板卡 上集成i d e 总线或是s c s i 总线，存盘数据直接写入板接硬盘，上位p c 机对数据 进行分析和处理时，必须把板接硬盘里的数据转存上位机硬盘。控制器一般采用 单片机单片机的字长也由4 位、8 位、1 6 位向着3 2 位发展，对于大多数的场合 来说已经能够满足要求了，同样，单片机也有价格低廉、结构简单、接口扩展方 便等优点。但是最大的缺点在于运算速度慢、数学运算能力差。在一些要求信号 处理的数学运算比较复杂的领域，如视频、语音通信或是复杂控制领域，单片机 往往力不从心，这需要更高级的c p u 来支持。 另一方面，板卡式的数据采集卡，多通过系统总线也就是i o 通道总线、微 型计算机总线或者是板级总线和上位机插槽上的各个扩充板卡相连，常用的有 p c i 、i s a 、e i s a 等。对于用户来说，要打开机箱，加入硬件并且进行配置，这 需要一定的技术支持。况且，接口卡的配置必须停机，驱动程序的安装、调试甚 至正常运行也需要人工干预，板卡与系统之间的中断冲突、兼容性等问题也是需 要考虑的m m 。基于此，有必要选择更加方便的通道进行数据传递。本文采用u s b 进行数据传递，实现了高速数据传输。 由上可知，由于般的数据采集系统存在以上诸多问题，因此采用d s p 作为 控制器，而采用u s b 和上位机相连接将是以后数据采集处理系统的发展方向。 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 1数据采集实时存盘系统原理框图 f 刚一ld a t a c 0 1 l e c t i o ns y s t e mo f r e a l - t i m es a v i n gb i o c kd 魄r a m 而在语音处理技术发展史上，语音编码的研究始于1 9 3 9 年d u d l e y 的创造性 发明声码器。从那时开始直至2 0 世纪7 0 年代中期，除p c m ( 脉冲编码调制) 和a d p c m ( 自适应差分脉冲编码调制) 已取得较大进展之外，中低比特率语音 编码一直没有实质性的突破。到了1 9 8 0 年美国政府公布了一种2 4 k b s 的线性预 测编码标准算法l p c 1 0 以后，整个语音编码技术领域发生了一次质的飞跃，人 们梦寐以求的在普通电话带宽信道中传输数字电话的愿望终于变成现实。虽然数 字电话具有保密性高、容易克服噪声累计现象，便于进行程控交换等优点，但是 6 4 k b s 的p c m 、3 2 k b ，s 的a d p c m 要占用几十千赫信道带宽，都不便于在普通 话路中传输，因此语音压缩编码技术一直是一个令人关注的课题。除p c m ， a d p c m ，a m ( 增量调制) ，l p c ( 线性预测编码) ，m e l p c ( 多脉冲激励线性 预测编码) 等声码器之外，美国在1 9 8 8 年又公布了一个4 8 k b s 的c e l p ( 码激 励线性预测编码) 语音编码标准算法，欧洲也推出了一个1 6 k b s 的r e l p ( 规则 脉冲激励) 线性预测编码算法，其语音质量都能达到高音质。近几年又出现了更 好的编码算法多带激励声码器( m b u ) ，它可以在2 4 k b s 的速率下提供较高 质量的语音。这些算法都可用数字信号处理器实时实现，目前正努力进一步减小 时延，使之在移动通信中得到广泛应用。语音编码产品化的过程比语音识别来的 容易，因此其研究成果能很快转向实际应用，对通信领域的发展起到了重要的推 动作用。 第章绪论 嵌入式语音处理技术得到了广泛应用的是语音编码技术。根据语音识别性能 及算法的不同，语音级别专用芯片大致有以下几种类型m ： 1 由多带通滤波器及线性匹配电路构成的专用i c 。这是2 0 世纪8 0 年代初 期产品，现已很少应用。 2 由单片机组成的语音专用i c 。它以8 位机或1 6 位机为计算核心，外加a d 转换、d a 转换及存储器。由于单片机的运算能力有限，因为其编码和识别算法 不可能复杂，精度也低，典型的芯片是1 9 9 6 年美国s e n s o r y 公司生产的r s c 1 4 6 。 3 由数字信号处理器d s p 组成的语音处理系统。它一般由定点1 6 位d s p 外 加a d 转换和d a 转换，以及r o m ，r a m ，f l a s h 等存储器组成。由于d s p 包含用 做数字信号处理运算的专用部件，因而运算能力强，精度高，适于组成较高性能 的语音系统。最常用的d s p 芯片有t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 x x 系列，a d 公司的 a d s p 2 1 8 x 系列以及d s p g 公司开发的0 a k 系列。用d s p 组成的语音系统可以实现 高质量、高压缩率语音编解码功能，同时可以产生高品质的语音合成和语音回放 功能，这是当前语音级专用芯片的主流组成。本设计即是采用t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片作为编解码处理器。 4 由人工神经嘲络构成的语音识别专用芯片。如1 9 9 1 年g m r e s l a b 利用时延 单元神经嘲络t d n n 模拟芯片实现了特定人英语数字串的识别，8 个数字串的识别 率为9 8 以上。 5 语音处理系统级芯片s o c ( s y s t e mo nc i r c u i t ) ，它将m c u 或d s p 、a d 、 d a 、r a m 、r o m 以及预放、功放等电路集成在一个芯片上，只要加上极少的电源 供电等单元，就可以实现语音识别、合成以及回放等功能。这是近两年出现的最 先进的语音识别芯片，其性能价格比较高，功耗省。最有代表性的是s e n s o r y 公 司的r s c 一3 6 4 及i n f i n e o n 公司的u n i s p e e c h 一8 0 s d a d 5 1 。凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 也 是这类产品“i 。 1 2d s p 发展状况以及应用领域 d s p 芯片，即数字信号处理芯片，也称为数字信号处理器，是一种特别适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信 号处理算法。与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱一些。但 是，近年来新推出的d s p 芯片已经将通用微处理器的一些功能集成在：芯片中， 广东t 业大学工学硕士学位论文 d s p 芯片已经可以实现普通微处理器的功能。一个典型的d s p 系统如图1 2 所示。 1 2 1d s p 的发展 图1 2 典型的d s p 系统 f i g 1 2t y p i c a ld s ps y s t e m 1 9 6 5 年快速傅立叶变换f f t 算法的提出被公认为数字信号处理d s p 这一学 科的开端。世界上第一片单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的s 2 8 l l 。在近 四十年的发展过程中，数字信号处理自身己基本形成一套较为完善的理论体系。 这些理论包括： 1 信号的采集( d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ： 2 离散信号的分析( 时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ； 3 离散系统分析( 系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性 等) ： 4 ，信号处理中的快速算法( 快速傅立叶变换、快速卷积与相关等) ： 5 信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计) ； 6 滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ； 7 信号的建模； 8 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、反卷积、信号重建等) ； 9 信号处理技术的实现( 软件实现和硬件实现) 与应用； 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用 处理器，其处理速度比最快的c p u 还快l o 5 0 倍。其结构特征如下】： 1 普遍采用了数据总线和程序总线分离的改进的哈佛结构，比传统处理器的 冯诺依曼结构有更高的指令执行速度： 2 d s p 大多采用了流水线技术。计算机在执行一条指令时，总要经过取指 令、译码、访问数据、执行等儿个步骤，需要着十个指令周期完成。流水线技术 4 第一章绪论 是将各指令的执行时闻重叠起来。综合起来看，使得每条指令的最终执行时间是 在单个指令周期内完成的； 3 片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄 存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或后自动修改内容，以指向下一个要访问 的地址； 4 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘累加运算的特点，d s p 硬件的 乘累加结构使得它可以在一个指令周期完成一次乘法和一次加法运算； 5 多数d s p 带有d m a 通道控制器和同步串行接口，配合片内多总线结构， 可以大大提高数据块传输速度； 6 具有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个单芯片系统； 7 具有软、硬件等待功能，能与各种高低速存储器接口。 继1 9 7 8 年a m 公司发布的5 2 8 1 1 之后，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可 编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一 个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器( t i ) 公司的一系列产品。t i 公司于1 9 8 2 年推出其第一代产品t m s 3 2 0 1 0 。经过十几年的发展，d s p 器件在高 速度、可编程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展，单片d s p 芯片最快每 秒可完成1 6 亿次( 1 6 0 0 m i p s ，每秒1 6 0 0 兆次指令) 的运算，生产d s p 器件的公司 也不断壮大。目前，市场占有率前四名依次为：t c x a sl n s t f u m e n t s 、 l u c e n t 、 a n a l o g d e v i c e 、m o t o r o l a 。涉足这一领域的公司还有a t & t 、f u j i t s u 、h a r r i s 、i d t 、 n e c 、i n m o s 、0 k i 、s a m s u n g 。 由于各d s p 厂家的竞争及生产工艺的不断提高，使得d s p 器件的价格不断 下降，且性能不断提高，这些年来基本上按照这样一种规律发展：约每1 8 个月性 能提高一一倍，而价格下降一半，这就是著名的摩尔定律。d s p 器件应用面从起初 的局限于军工、航空航天等领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产品 中。 ：至三= ! ! ：2 三：王：翌圭耋竺兰兰 1 2 2d s p 的应用领域 目前，d s p 的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。 其主要应用领域有m j ： 1 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、谱 分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； 2 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、 多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等； 3 语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人识别、说 话人确认、语音邮件、语音存储等： 4 图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强与动画、 机器人视觉等； 5 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； 6 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等： 7 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； 8 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等； 9 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电 话电视等。 并且随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，d s p 芯片将会在更多的领域内得 到更为广泛的应用。 1 3 u s b 的发展状况及性能特点 1 3 1 u s b 的发展历史 u s b 是一个新接口，新接口并不会常常出现，因为人们已经习惯于旧有的接 口，对于新接口往往不会立即全盘接受。如果新接口是建立在旧接口的基础上， 则不仅可以节省开发的时间及成本，而且用户也比较能够接受。 由于p c 机在进行重新配置时缺乏足够的灵活性，已经严重影响了p c 机的进 6 第一章绪论 一步发展与普及。随着友好用户界面核心的硬件、软件机制的结合。一直到相应 的诸如p c l 、p i l pi s a 和p c m c i a 等薪一代体系结构的提出，计算机看起来已经 不如当初那么直观了。而且从用户的角度来看，p c 机上的i o 接口如串行并行 接口，键盘鼠标，游戏杆并不具有即插即用的功能，而在同时人们对计算机的要 求也越来越多，所以各种用来扩充计算机功能的外设也就不断出现，与之相应， 后面的端口越来越紧张，这正是缺乏一种双向的、廉价的支持中速的外设总线。 为了解决以上这些问题，相应的通用串行总线的概念( u s b ) 也就产生了。1 9 9 4 年 m i c r o s o r 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、n e c 、n o r n l - t e l e c o m 、i n t e l 这些世界上著名 的计算机公司和通信公司成立了u s b 论坛，并于1 9 9 4 年1 1 月1 1 日推出了u s b 0 7 规范，于1 9 9 5 年4 月1 3 日推出了u s b 0 9 规范，1 9 9 5 年8 月2 5 日推出了u s b 0 9 9 规范，于1 9 9 6 年1 1 月3 日推出了u s b l o 规范，于1 9 9 8 年8 月2 3 日推出了u s b l 1 规范。1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b l 1 是目前推出的 支持u s b 的计算机外设上普遍采用的标准。在1 9 9 9 年2 月2 3 日的英特尔开发者 论坛大会上，介绍了u s b 2 o 规范。在微软公司与英特尔公司推出的p c 9 9 的硬 件体系规范和p c 9 9 的软件规范都包含对u s b 的支持。苹果公司的m a c0 s 及 微软公司公司的w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w s x p 中全面支持u s b 。 由于u s b 在接口方面的使用极其方便，可以连结多个不同的设备，一个接口 理论上可以连接1 2 7 个设备，而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快也是 u s b 技术的突出特点之一，u s b 接口的最高传输率可以达到1 2 m b s ( 2 o 协议的 可以达到4 8 0 m b s ) 。比一般的串口快1 0 0 倍以上，这使得高分辨率、真彩色的大 容量图像和声音的实时传送成为可能，所有这些突出的优点使得u s b 技术广泛的 应用、发展和普及。 1 3 2u s b 的性能特点 随着各种类型的u s b 产品陆续推出，通用串行数据总线的优点越来越，泛 地被人们所熟知。具体来说，其优点在于5 l 【1 6 m ，： 广东工业大学工学硕士学位论文 1 用户使用方便，设备自动识别，自动安装驱动程序和配景，支持动态接 入和动态配置，为连接电缆和连接头提供了单一模型。电气特性与用户无关，可 动态连接，动态重置外设。 2 应用范围广，传输速率从几k b s 至几m b ，s ，总线支持同步和异步传输 方式。适应不同设备，提供低速传输( 1 5 m b p s ) 和全速传输( 1 2 m b p s ) ；支持对多个 设备的同时操作，可同时操作1 2 7 个物理设备；在主机和设各之间可以传输多个 数据和信息流：支持多功能的设备；利用低层协议，提高了总线利用率。 3 具有同步带宽。保证带宽，确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的 应用；音频传输失真小，同步工作可以利用整个总线带宽。 4 灵活，支持不同速率的设备。可以选择一系列大小的数据包，允许对设 备缓冲器大小进行选择；通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传 输率；通过协议对数据流进行缓冲处理。 5 稳定。协议中包含错误检测，支持热插拔。出错处理差错恢复机制在协 议中使用；对用户感觉而言，热插拔是完全实时的；可以对有缺陷设备进行认定。 6 易于与p c 接口，支持即插即用。协议的易实现性和完整性：与p c 机的 即插即用的体系结构的一致；对现存操作系统接口的良好衔接。 7 成本低廉。以低廉的价格提供l 。5 兆比特率的子通道设施：将外设和主 机硬件进行了最优化的集成。促进了低价格的外设的发展；廉价的电缆和连接头a 8 易于升级。 虽然目前u s b 接口的应用主要集中在电脑的周边外设，但是u s b 产品进入 工控领域将是必然的发展趋势。所以综上所述，采用u s b 通用串行总线改进原来 板卡的集成的i d e 总线或s c s i 总线，是一种可行的方法。 1 4 本文的主要研究工作 1 4 1 研究工作 本论文通过对目前高速数据采集系统广泛采用的软硬件架构的分析，吸收并 且借鉴他人研究成果和经验，作者完成的主要工作如下： i 大量阅读国内外有关数据采集系统的文献，并进行分析、整理和消化，提 第章绪论 出采用d s p 作为数据处理m c u ，设计基于r i m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的语音采集和回放电 路及编程实现预测线性压缩编码算法。 2 深入学习u s b 接口技术的基础理论，对u s b 总线开发技术有了全面的了 解。设计u s b l 1 接口电路软硬件，包括d 1 2 电路和单片机固件程序设计，并提 出了升级为u s b 2 o 的方案。 3 使用d r i v e r s t u d i o 完成u s b 接口驱动开发设计。 4 熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使开发的软件具有较好的可靠 性、可维护性、可读性。 1 4 2 创新点 与国内外相关课题的研究现状相比，本课题研究有以下几点特色和创新： 1 引入数据压缩算法( 线性预测编码l p c ) ，减少高采样率下采集系统数据 传输量。 2 提出了运用u s b 串行接口实现高速数据传输，较传统的l s a 、p c i 并口 而言，提高了数据传输率。 3 应用d s p 代替单片机进行数据处理，加快了数据处理速度。 1 5 论文的组织结构 本套数据采集卡的适用对象是语音放大器输出的模拟电压信号，研究目标是 实现对模拟信号的模数采样，并把转换后数据存储到计算机上，以及将存储后的 数据经过数模变化输出模拟信号。 本文将重点阐述u s b 的设计方案，对于d s p 的数据处理主要介绍了线性预测 编码压缩算法。各章节的安排如下： 第一章简要介绍了论文的选题背景、目的、意义和各章节的排布。 第二章介绍了u s b 的体系结构及其协议。 第三章介绍了本套系统中拟采用的方案及芯片的选择，详细介绍了硬件电路 设计方案。 第四章本章详细讲解系统的软件构成，重点在于讨论固件编程。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第五章本章重点在于讨论w i n d o w s x p 环境下u s b 内核驱动开发过程。 第六章本章介绍了d s p 的音频采集与处理方法，提出了基于l p c 线性预测编 码的算法在d s p 上的实现。 结论对全文进行总结，并给出改进意见。 1 0 第章通甩串行总线u s b 概述 2 1 成因 第二章通用串行总线u s b 概述 i n t e l 公司开发的通用串行总线架构( u s b ) 的目的主要基于以下三方面考虑： 一、计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计 算机基本的应用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通l 嘲络。 然而，由于目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，面u s b 则可以广泛的连 接计算机和电话。 二、易用性：众所周知，p c 机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接口 和一些软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易 于改装。但以终端用户的眼光来看，p c 机的输入输出，如串行并行端口、键盘、 鼠标、操纵杆接口等，均还没有达到即插即用的特性，u s b 正是在这种情况下问1 廿： 的。 三、端口扩充：外围设备的添加总是被有限的端口数目限制着。缺少一个双向、 价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备( 诸如电话电传调制解调器 的适配器、扫描仪、键盘、p d a ) 的开发。现有的连接只可对极少设备进行优化，对 于p c 机的新的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要，u s b 就应运而 生。它是快速、双向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可以满足p c 机发 展的现在和未来的需要。 2 2u s b 规范和适用目标 本章规范了u s b 的工业标准n ”。该规范介绍了u s b 的总线特点、协议内容、 事务种类、总线管理、接口编程的设计，以及建立系统、制造外围设备所需的标准。 设计u s b 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛 的使用。该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生产商和 外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必使用 陈旧的接口，害怕失去兼容性。 该规范主要面向外设开发商和系统生产商。并且提供了许多有价值的信息给操 广东工业人学工学硕十学位论文 作系统b i o s 设备驱动平台、i h v s i s v s 适配器，以及各种计算机生产厂家使用。 该u s b 版本的规范可以用来设计开发新产品，改进一些经典的模型，并开发相应的 软件。所有的产品都应遵循这个规范。 2 3 使用的分类 表2 1 按照数据传输率( u s b 可以达到) 进行了分类。可以看到，1 2 m 比特率可 以包括中速和低速的情况。总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互 的设备，u s b 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的。软件体 系通过对各种主机控制器提供支持以保证将来对u s b 的扩充。 表2 1u s b 性能分类 t a b l e 2 一lu s bc a p a b i l n yc l a s s i f i c a t i o n 性能甩特性 低速键盘、鼠标、游戏棒低价格、热插拔、易用性 交互设备 1 0 2 0 k b s 中速 i s d n 、p b x 、p o t s 低价格、易用性、动态插拔、 电话、音频、压缩视频限定带宽和延迟 5 0 0 k b s l o m b s 高速音频、磁盘高带宽、限定延迟、易用性 音频、磁盘 2 5 5 0 0 m b s 2 4 体系结构概述 2 4 1 u s b 系统的描述 一个u s b 系统主要被定义为三个部分 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 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几 方面： 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 内部层次关系：根据性能叠置，u s b 的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式：描述了数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方 式； u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度 以支持同步数据传输，并且避免了优先级判别的开销。 2 4 2 总线布局 u s b 连接了u s b 设备和u s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。 每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能 部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2 1 中可看出u s b 的拓扑结构。 3 t i e r 4 图2 1u s b 拓扑结构 f i g2 一l 叫st o p o l o g y 2 4 3u s b 主机：硬件和软件 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、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以 广东_ t 业大学工学硕士学位论文 提供更多的连接点。 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 检测u s b 设备的安装和拆卸 管理在主机和u s b 设备之间的控制流； 管理在主机和u s b 设备之间的数据流； 收集状态和动作信息： 提供能量给连接的u s b 设备。 主机上u s b 的系统软件管理u s b 设备和主机上该设备软件之间的相互交互，u s b 系统软件与设备软件间有三种相互作用方式： 设备编号和设置； 同步数据传输： 异步数据传输； 电源管理 设备和总线管理信息。 只要可能，u s b 系统软件就会使用目前的主机软件接口来管理上述几种方式。 2 4 4u s b 设备 u s b 的设备如下所示： 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 设备提供的u s b 标准接口的主要依据： 对u s b 协议的运用： 对标准u s b 操作的反馈，如设簧和复位： 标准性能的描述性信息； u s b 设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类，集线器类指的是一种提 供u s b 连接点的设备。u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息，必须在任何时刻 执行与所定义的设备状态相一致的动态。 u s b 设备主要分为两种设备类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多 的u s b 的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 1 集线器 第二章通用串行总线u s b 概述 图2 2 所示是一种典型的集线器。从用户的观点出发，集线器极大简化了u s b 的互连复杂性，而且以很低的价格和高易用性提供了设备的健壮性。 集线器可让不同性质的设备连接在u s b 上，连接点称作端口。每个集线器将一 个连接点转化成许多的连接点。并且该体系结构支持多个集线器的连接。 每个集线器的上游端口向主机方向进行连接，每个集线器的下游端口允许连接 另外的集线器或功能部件。集线器可检测每个下游端口的设备的安装或拆卸，并可 对下游端口的设备分配能源，每个下游端口都具有独立的能力，不论高速或低速设 备均可连接。集线器可将低速和高速端口的信号分开。 图2 2 典型集线器结构 f i g 2 - 2at y p i c a lh u b 一一个集线器包括两部分：集线控制器( c o n t r o l l c r ) 和集线放大器( r e p e a t e r ) 。集 线放大器是一种在上游端口和下游端口之间的协议控制开关，而且硬件上支持复 位、挂起、唤醒的信号。集线控制器提供了接口寄存器用于与主机之间的通信，集 线器允许主机对其特定状态和控制命令进行设置，并监视和控制其端口。 2 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送或接收数据以及控制信息的u s b 设备，通过 一根电缆连接在集线器的某个端口上，一般是一种相互无关的外设。然而一个物理 单元中可以有多个功能部件和一个内置集线器，并且利用一根u s b 电缆，这通常被 称为复合设备，即一个集线器连向主机，并有一个或多个不可拆卸的u s b 设备连在 其上。 每个功能设备都包含设置信息，来描述该设备的性能和所需资源。主机要在功 能部件使用前对其进行设置。设置信息包括u s b 带宽分配，选择设备的设置信息等。 f 面列举了一些功能部件： 广东：= i = 业大学工学硕士学位论文 定位设备：如鼠标或光笔 输入设备：如键盘： 电信适配器：如i s d n 。 2 5 物理接口 2 5 1 电气特性 号。 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 3 中的两根线是用于发送信 v b u s d + d 。 g n d 图2 3u s b 的电缆 f i g 2 3u s bc a b l e v b u s d + d g n d 存在两种数据传输率： u s b 的高速信号的比特率定为1 2 m b p s ； 低速信号传送的模式定为1 5 m b p s 。 低速模式需要更少的e m i 保护。两种模式可在使用同一u s b 总线传输的情况 下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式 只支持有限个低带宽的设备( 如鼠标) 。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去， 时钟信号被转换成n i 屹i 码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附 有同步信号以使得接收方可还原出原始时钟信号。 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，最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配指定 的i rd r o p 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。在每个端口都可检测终端是 否连接或分离，并区分出高速或低速设备。 耋二：耋鎏璺三至兰釜：兰鉴 2 5 2 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的互换， 这样就避免了集线器间的非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 6 电源 主要包括两方面： 电源分配：即u s b 的设备如 可通过u s b 分配得到由主计算机提供的能源。 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的u s b 设备提供 电源供其使用。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，那些可选择能源来源的设备称作“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。键盘，输入笔和鼠标均 为“总线供电”设备。 电源管理：即通过电源管理系统，u s b 的系统软件和设备如何与主机协调j 作。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 的系统软件可以与主 机的能源管理系统结合共同处理各种电源事件如挂起、唤醒，并且有特色的是，u s b 设备应用特有的电源管理特性，可诖系统软件控制其电源管理。 u s b 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用电 池的笔记本电脑。 2 7 总线协议 u s b 总线属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 每一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送开 始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向、u s b 设备地址和终端号的 数据包，这个数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备从解码后的数据包的 适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设餐到主 机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信 广东工业大学工学硕士学位论文 息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否 传送成功。发送端和接收端之间的数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一 个通道。存在两种类型的通道：流和消息。流的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的结构，而且通道与数据带宽、传送服务类型，端口特性( 如方向和缓冲区 大小) 有关。多数通道在u s b 设备设置完成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道 缺省控制通道，它属于消息通道，当设备一启动即存在，从而为设备的设置、 查询状况和输入控制信息提供一个入口。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓冲 区的高估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认 信号发过后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任 务安排，可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同间隔进行 工作，传送不同大小的数据包1 2 0 l 。 2 8 数据流种类 数据和控制信号在主机和u s b 设备问的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间。这种主机软件和u s b 设备的端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之问的数据流动是相互独立的。 一个指定的u s b 设备可有许多通道。例如，一个u s b 设备存在一个端口，可建立 一个向其它u s b 设备发送数据的通道，也可建立一个从其它u s b 设备的端口接收 数据的通道。 u s b 的结构包含下述四种基本的数据传输类型，对于任何指定的设备进行设置 时一一种通道只能支持上述一种方式的数据传输。 2 8 1 控制数据传送 当u s b 设备初次安装时，u s b 系统软件使用控制数据对设备进行设置，设备驱 动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损性的。 第二章通用串行总线u s b 辕述 2 ，8 2 批量数据传送 批量数据是由大量的数据组成，如使用打印机和扫描仪时，批量数据是连续的。 在硬件级上使用错误检测可以保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多 次传送。此外根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应的进行改变。 2 8 3 中断数据传输 中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。这种数据可由设备在 任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在u s b 上传送。 中断数据一般由事件通告，特征及坐标号组成，只有一个或几个字节，匹配定 点设备的坐标即为一例。虽然精确指定的传输率不必要，但u s b 必须对交互数据提 供一个反应时间的最低界限。 2 8 4 同步数据传输 同步数据的建立、传送和使用是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率发送 和接收实时的信息，要使接收者与发送者保持相同的时间安排。除了传输速率，同 步数据对传送延迟非常敏感，所以同步通道的带宽的确定，必须满足对相关功能部 件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区数有关。 一个典型的同步数据的例子是语音，如果数据流的传送率不能保持，数据流是 否丢失将取决于缓冲区的大小和损坏的程度。即使数据在u s b 硬件上以合适的速率 传送，软件造成的传送延迟将对那些如电话会议等实时系统的应用造成损害。 实时的传送同步数据肯定会发生潜在瞬时的数据流丢失现象，换句话说，即使 许多硬件机制，如重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中，u s b 的数据出 错率小到几乎可以忽略不计。从u s b 的带宽中，给u s b 同步数据流分配了专有的一 部分以满足其希望得到的传速率，u s b 还为同步数据的传送设计了最少延迟时i 卸。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 9 本章小结 本文的工作重点是：( 1 ) 论述u s b 和d s p 数据采集系统的研发过程，详细介 绍了u s b 设备的硬件和软件开发的技术细节，以及硬件电路设计和软件编程中的 注意事项。( 2 ) 结合数据压缩技术和d s p 实现数据的快速传递和处理，可为今后 开展数据传输处理建立良好的实验基础。 本章介绍了有关u s b 通用串行总线的基本协议，提出本文的工作重点，是下 一章设计硬件电路的基础知识。通