（电气工程专业论文）基于usb20的数据采集传输系统及其应用研究.pdf

中文摘要 摘要 在科学研究和工业生产等场合中常需要用到数据采集和传输技术，但是传统的 通信方式由于传输速度和安装麻烦等问题，严重地限制着数据采集设备的发展和应 用。u s b 技术很好的解决了上述的缺点，以其支持热插拔和即插即用，易于扩展， 占用系统资源少等特点迅速得到了广泛的应用，而且u s b 2 0 凭借其4 8 0 m b p s 的理 论传输速度，更是得到了人们的青睐。 本文在深入分析和探讨了u s b 2 0 协议的基础上，以p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 u s b 2 0 接口器件为硬件平台，按照u s b 2 0 协议要求开发了基于u s b 2 0 的数据采 集传输系统，为使用u s b 总线技术进行数据传输建立了硬软件平台，并将该系统 应用于多通道动态心电记录仪与绝缘子污秽在线监测系统中，分别实现了u s b 的 批量和中断两种传输方式。具体来说，本文的工作主要有以下几点： ( 1 ) 设计并制作了以v h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 为基础的u s b 2 0 数据采集传输 系统硬件电路。 ( 2 ) 开发了u s b 2 0 数据采集传输软件平台，主要包括u s b 设备固件，驱动 程序以及应用程序的开发。其中固件开发用c 和汇编语言混合编写，该程序主要实 现了u s b 总线的枚举，a d 转换以及主机与设备之间的信息交流等功能；驱动程 序使用n u m e g a 公司的d r i v e r w o r k s 开发工具包进行开发；应用程序用v c + + 开发， 实现了对设备的设置和控制、数据的读写、波形的显示以及记录的回放等功能。 ( 3 ) 设计制作了基于u s b 2 0 的多通道动态心电记录仪。主要实现了心电模拟 信号的采集，电池供电设计及供电模式的切换，大容量数据的存放及管理，低功耗 设计以及u s b 批量传输形式的具体实现等。 ( 4 ) 设计制作了基于u s b 2 0 与s m s 的绝缘子污秽紫外在线监测系统。重点 完成了l p - 1 绝缘子污秽监测仪的开发以及基于s m s 和u s b 2 0 的数据传输通道的 建立与实现，并制定了监测数据的传输格式及策略。该监测系统是u s b 2 0 数据采 集传输系统中断传输形式的一个实际应用。 本文的初衷是研究u s b 2 0 总线技术，并以实际应用为目的，用u s b 来解决设 备和主机的接口问题，完成数据采集和信息的交换，从而达到对u s b 研究和应用 的结合。根据研究需要，把u s b 2 0 总线接口技术应用到实际数据采集系统中，实 现了数据采集设备与计算机之间的方便连接，使采集系统具有了u s b 的优势。本 次u s b 2 0 技术的成功应用，对以后研究与应用u s b 2 0 技术提供了现实依据。 关键词：u s b 2 0 ，数据采集，i s p l 5 8 1 ，批量传输，中断传输 英文摘要 a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 种u s u a l l ya p p l i e dt om a n ys i t u a t i o n s s u c ha ss c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n d u s t r y d u et ot h es p e e da n dd i f f i c u l l yo f i n s t a l l m e n t , t h e f u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t sw e 糟c o n f i n e dt o t h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nw a y s a s8g o o ds o l u t i o nt ot h ep r o b l e m s , t h e u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h ea t t r i b u t e so f h o t - p l u g i n , p l u s - a n d - p l a y , e a s yt oe x p a n d , e n g r o s s i n gl e s ss y s t e ml e $ o l l t - s c 1 1 l eu s b 2 0 h a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nd e p e n d i n go nt h et h e o r yt r a n s f e rr a t eo f 4 8 0 m b l 馋 1 1 忙d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e dw i t hu s b 2 0 t e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r 9b a s e do l ld e e p l ya n a l y z m go f u s b 2 0p r o t o c o l ，w h i c hb u i l tu p t h eh a r d w a r ea n ds o f e w a x ep l a t f o r mf o rd a t aa c q u i s i t i o na n dl r a n s m i s s i o nw i t hu s b 2 0 t e c h n o l o g y a sf o ra p p l i c a t i o n , t h es y s t e mw a sl i s ti nm u l t i c e n t e rd y n a m i ce c gr e c o r d e r a n dc o n t a m i n a f i v ei n s u l a t o r so n - l i n ed e t e c t i n gs y s t e m , a n dt h eb u l ka n di n t e r m p l t r a n s m i s s i w e r ec a r r i e do u ti nt h e s es y s t e m r e s p e c t i v e l y i nd e t a i l t h em a i n a c h i e v e m e n t so f t h er e s e a r c ha r cs h o w nb e l o w ： ( 1 ) t h eh a r d w a r ec i r c u i to f s y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hb a s e do ni s p l 5 8 1u s b 2 0 i n t e r f a c ec h i po f p h i l i p sc o r p o r a t i o n n eb u sw o r km o d ea n dd a t aa c c e s s i n gm o d ew e r e m a i n l yc o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so f d e s i g n ( 2 ) t h e5 0 f t w a r cp l a t f m mo fs y s t e mw a sb u i l t 叩，w h i c hm a d eu po ff i r e w a r e ， d e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m 1 1 艟痂孵呲w a sc o m p l i e dw i t hl a n g u a g ec w h o s ep l i m a l yf u n c t i o n sw e r eu s bb u se n u m e r a t i o n , a dc o n v e r s i o na n di n f o r m a 垃o n c o m m u n i c a t i o nb c t w c e l l 出嘶a n dh o s tc o m p u t e r 1 1 忙d g v i c ed r i v e rw a sd e v e l o p e d w i t ht h es a d d l e b a gd r i v e r w o r k so fn u m e g ac o m p a n y 1 1 1 ea p p l i c a t i o np r o g r a m 麟 d e v e l o p e dt oc o n t r o ld e v i c e ，r e a d - w r i t ed a t a , d i s p l a yw a v e f o r ma n dr e a d - b a c kr e c o r d ( 3 ) 1 h em u l t i c e n t e rd y n a m i ce c gr e c o r d e rb a s e do nu s b 2 0t e c h n o l o g yw a s d e s i g n e d , w h i c hm a i n l yc o m p l e t e da c q u i s i t i o no fe c ga n a l o gs i g n a l s ，s w i t c ho fp o w e r s u p p l ym o d e ，d a t am a n a g e m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o nw i t hu s b b u l kt r a n s f e rm o d e ( 4 ) t h ec o n l a 芏n i n 撕v ei n s u l a t o r so n - l i n ea e t e c t i n gs y s t e mb a s e do i lu s b 2 0a n d s m st h n o l o g yw a sd e s i g n e d , w h i c hw a sa p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fu s b 2 0d a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hi t si n t e r r u p tt r a n s f e rt y p e 1 1 kd e v e l o po fl p 1 j 1 够姐l 疵。塔o n - l i n ed e t e c t e ra n dt h ee s t a b l i s h i n go fd a t at r a n s f e rc h a n n e lw 嗽t h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l es y s t e m 1 1 地f o r m a to f d e t e c t i n gd a t aw 鹬s e td o w nf o rs m s i i i 重庆大学硕士学位论文 t r a n s m i s s i o ni nt h i ss y s t e m t h ep a p e rc o m b i n eu s b 2 0s t u d yw i t hi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , i no r d e rt os o l v e i n t e r f a c ep r o b l e mb e t w e e nd e v i c ea n dh o s tc o m p u t e r , a n dc o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o na n d i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a 虹o mb a s e do nt h en e e do fs u b j e c t , u s b 2 0t e c h n o l o g t yi s a p p l i e dt op r a c t i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , w h i c hm a d ec o n v e n i e n tc o n n e c tb e t v c e e n a c q u i s i t i o nd e v i c ea n dh o s tc o m p u t e r , a n dp r o v i d e su s ba d v a n t a g et oa c q u i s i t i o nd e v i c e t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no f u s b 2 0t e c h n o l o g yp r o v i d e sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r s t u d ya n da p p l i c a t i o no f u s b k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n , i s p l 5 8 1 ，b u l kt r a n s f e r , i n t e r r u p tt r a n s f e r i v 独创性声明 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。据我所知，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，也不包含为获得重迭太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：f 司，毛 签字日期： 2 0 。7 年f 月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：7 司，屯 导师签名： 签字日期：细7 年r 月歹r 日签字日期 一l 。 s 月哈日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的背景和意义 1 1 1 数据采集传输系统的应用现状 在工业生产和科学技术研究等行业中，常常需要利用p c 机或工控机对各种数 据进行采集处理。而对于一个数据采集传输系统来说，它主要完成数据信息的采集、 a 巾转换，然后通过p c 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前， 以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业应用中的液位、 温度、压力、频率等数据采集传输系统；工业控制中现场数据的采集设备；生物医 学方面的电生理信号的采集传输系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安 装的监控设备、家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。 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 i t s 2 3 2 总线、i s a 总线、p c i 总线、e p p e c p ( 最高传输速率为3m b p s ) 等【l 】p c i 总线虽然具有较高的传输速度( 1 3 2 m b p s ) ，并支持“即插即用”功能，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。然而如果用笔记 本电脑，打开电脑并在里面插入如此大的p c i 设备也比较麻烦，同时能应用的设备 数量也更少，而且由于数据采集卡的装入，使整个笔记本发热更大，也不利于系统 的运行。对于i s a 总线来说，显然存在同样的问题。r s - 2 3 2 串行总线虽然连接简 单，但其传输速度慢( 只有1 1 2 k b p s ) ，并且主机的串口数口也十分有限。 总之，采用这些传统接口的数据采集传输设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格 昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差圆；在一些电磁干 扰性强的测试现场，可能无法专i l x t 其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。 1 1 2u s b 发展概况 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 作为一种新的外设连接技术，最初 是由c o m p a g ，d e c ，i b m ，i n t e l ，m i c r o s o f t ，n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 等七大业 内巨头共同开发的。该技术着眼于简化计算机与外设的连接过程，顾及低速和高速 的兼容，从而解决串行设备和并行设备与计算机相连的争论，为用户提供一种可共 享的，可扩充的，使用方便的串行总线 3 1 。随着p c 机向各层次的发展与渗透，外 围设备与p c 的连接与扩充变得越来越重要。1 9 9 4 年，m i c r o s o f t 公司提出p n p ( p l u s a n dp l a y ，即插即用) 方案，旨在把p c 外设和扩充电路板连接起来，实现系统对中 重庆大学硕士学位论文 断和端口等资源的自动分配，而无需用户的干预。1 9 9 6 年，c o m p a g ，h l 把l 和m i c r o s o f t 三家厂商提出d e v i c cb a y ( 设备插架) 概念，其目的是实现热插拨和高度的扩充性。 u s b 最初推出的是1 x 版本，其总线传输速度较低，有1 2 m b p s ( 全速) 和 1 5 m b p s ( 低速) 两种f 4 j 。目前，它主要应用于传统p c 外设，如鼠标、键盘、显示 器等，移动存储设备，如移动硬盘、闪存盘等，以及新兴的消费类电子，如m p 3 播放器、数码相机、移动电话等。 随着1 9 9 8 年6 月w m d o w 9 8g o l d 和w m d o w 9 8s e ( s e c o n de d i t i o n ) 的发布， u s b 真正迎来了发展的好机会，两者对u s b 的支持使u s b 外设陆续出现1 5 】。u s b 2 0 于2 0 0 0 年4 月2 7 日发表，是一种高速模式的版本，它把数据传输速度提高到了 4 8 0 m b p s ，在保持了u s b l 1 优点的前提下，保证了向下的兼容性，可以完全支持 各种u s b l 1 的产品嘲。不过，如果要使用高速传输，则必须使用与u s b 2 0 兼容的 主机软件与主机控制器，也就是说在主机的操作系统w 砌o w s 2 0 0 0 ) 中安装 u s b 2 0 补丁程序，另外还要安装支持u s b 2 0 的主机控制器或者p c i 接口u s b 2 0 的扩展卡。目前，市场上已有许多公司的主板支持u s b 2 0 ，如i n t e r 、技嘉等公 司的主板。 u s b 2 0 的4 8 0 m b p s 的传输速度能够完全满足高速音视频数据传输的需要，并 可以对未经压缩的音视频数据进行实时传送。另外，u s b 2 0 的高传送速率为研发 新的、高性能的外设提供了可能。视频会议的摄像机将以更高的带宽进行存取，从 而具备了更高的性能。 u s b 2 0 的存储设备在高速存储方面已经成为一个热点。目前，我们已经在市 场上见到很多高速移动存储设备，例如便携刻录机、移动硬盘、闪盘存储器等等， u s b 2 0 的d d - r a m 也会出现。 外设器件在使用u s b 2 0 通信时，要求对外设接口的改变越小越好。外设在附 加了u s b 2 0 性能后，相应的附加成本应尽可能的地小。u s b l 1 器件和u s b 2 0 器 件都应在u s b 2 0 系统中顺利的操作。总之，u s b 2 0 的出现弥补了u s b l 1 的不足， 使得u s b 的应用范围不断扩大。 随着u s b 设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切， u s bo t g ( o nt h e g o ) 技术应运而生i n s 它于2 0 0 1 年1 2 底制定，赋予了设备 双重身份，也就是说它既可以作为主机，又可以作为设备，其实质是在设备中增加 了一个嵌入式计算机来执行主机任务。这一技术使u s b 摆脱了对p c 机的依赖，大 大扩展了u s b 应用范围，结合u s b 2 0 高速传输技术，将严重威胁到i e e e1 3 9 4 的传统市场。目前，市场上已经有支持这一技术的芯片，如飞利浦公司的通用串行 总线( u s b ) o nt h eg o ( o t g ) 芯片i s p l 3 6 2 ，它为最新的索尼c l m 手持设备 提供u s b0 1 - g 连接性。索尼c l i e 是业内首个具备u s b0 t g 功能的手持式产品， 2 1 绪论 可以与其它u s b 设备实现点对点通信。另外，扬智公司也成功的开发了国内首颗 高速u s b 2 0o t g 控制芯片。 1 1 3 课题的提出 高速数据采集是目前数据采集的发展方向。随着微电子技术的飞速发展，电子 器件的体积更小。运行速度有了很大的提高，几十兆采样频率的模数转换器逐渐得 到广泛的应用但是，数据传输和存储一直制约着数据采集系统向更高速度上的发 展。因此，如何进行高速的数据传输和存储是大容量连续数据采集系统的技术关键。 目前一般是从两个方面进行考虑： 采用高速传输协议，例如p c i 、u s b 2 0 、1 3 9 4 等高速的数据传输协议，将 采样数据传送到主机，然后进行后续处理。 采用高速度、大容量的存储器件，如s d r a m ，s b s r a m ，f l a s h 等，将 采样数据存储在采集板上直接进行处理 如果采用大容量的存储器件，可能会使数据采集卡的体积和重量增加，不利 于野外现场数据采集的需要，因此，要实现便携、小巧的数据采集卡通过采用高 速传输协议便是很好的选择。 对于u s b 来说，由于总线拓扑结构的影响，一个端口可以同时运行多达1 2 7 个设备。这与传统的串口形成了鲜明的反差，传统的串口在一个端口上只支持一个 设备。此外，通过增加u s b 集线器( h u b ) ，主机上还可以添加更多的端口，为更 多的外围设备提供空阅。u s b l 1 规范的最高传输速率为1 2 m b p s ，然而u s b 的最 新发展又将这速率推进到了4 $ 0 m b p s ，从而在理论上，为u s b 技术在高速数据 采集系统中的应用提供了坚实的理论支持。 针对当前u s b 技术的高速发展与普遍应用和数据采集传输系统的应用现状， 在新型微机主板普遍具备了u s b 2 0 接口的情况下，本文在深入分析和探讨u s b 2 0 协议的基础上，根据u s b 2 0 协议要求开发了基于u s b 2 0 的数据采集传输系统， 为使用u s b 总线技术进行数据采集传输建立了硬软件平台。在该平台中，通信是 作为一个最底层出现的，上层的应用设计不依赖于底层的通信模式，也就是说，将 底层的通信模式改变后，再加上相应的外设，该设备就立即成为针对新用途的设备。 故本文所开发的u s b 2 0 的数据采集传输系统可适用于各种不同的场合和不同的环 境，同时也为研究u s b 2 0 技术和开发u s b 2 0 设备提供了一个很好的原型。 1 。2 国内外研究现状 目前，国外企业己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 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 n s t n m l e n t s , n i ) 公 司研制的一系列u s b 数据采集卡，n i 于2 0 0 5 年8 月份推出了八款最新u s b 2 ，0 高 3 重庆大学硕士学位论文 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。如图1 1 所示是n i 公司其中一款即插即 用u s b 数据采集产品的外观图。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。新推出的u s b 2 0 高速设备包含免费的交互式数据记录软件， 以供分析之用。可以实现数据记录，并将输出结果导入诸如m i c r o s o f te x c e l 的电子 数据表程序。凭借总线驱动、即插即用的连接功能，该系列新款设备使得n i u s b 9 0 0 0 高品质的u s b 数据采集设备系列如虎添翼。但是n i 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。 图1 1 n i 公司的u s b 数据采集卡 f i 9 1 1u s b d a t aa c q u m i t i o ne q u i p m e n to f n ic o r p o r a t i o n 近年来国内有很多公司，如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 i 1 协议规范， 其数据传输速度远低于基于u s b 2 0 协议规范的数据采集卡，因此也制约了这些产 品的采集速度。 目前国内对u s b 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。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料比较少，要把u s b 接口作 为微机的一个通用i o 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 4 1 绪论 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己经取得了可喜的发展，但是 与国外的情况相比，对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 0 协议规范开发出符合多种场合 要求的的数据采集系统，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。 目前国内外出现的u s b 数据采集产品及其应用实例，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良好的参考和借鉴。 1 。3 本课题主要研究内容 本文基于u s b 2 0 总线技术，建立了u s b 2 0 数据采集传输最小系统，并将该系 统应用于多通道动态心电记录仪与绝缘子污秽在线监测系统中。文中按照u s b 协议 要求详细介绍了u s b 2 0 数据采集传输最小系统的硬件和软件开发的技术细节以及 在实际项目中的应用。主要研究内容如下： 研究u s b 协议的基本知识，包括总线特征、信号环境、数据流模型、信息 包，数据传输方式等，并根据协议认真分析了总线枚举的实现过程以及如何提高数 据传输速度等问题，为下一步工作做了很好的铺垫。 设计制作了u s b 2 0 数据采集传输最小系统的硬件部分。主要用新华龙公司 的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机和飞利浦公司的i s p l 5 $ 1 制作了其硬件电路。在硬件设计过程 中主要考虑了总线的工作模式以及数据的访问方式等 设计并编写了u s b 2 0 数据采集传输最小系统的软件部分。主要包括u s b 设备固件的开发，并用c 和汇编语言混合编写了固件程序，该程序主要实现了u s b 总线的枚举，单片机模拟通道所采集数据的a d 转换以及控制数据与主机之间的传 输等功能；u s b 驱动程序的开发，并用n u m e g a 公司的d r i v e r w o r k s 开发工具包开 发了相应的u s b 驱动程序；用v c + + 开发了主机应用程序，包括数据采集传输等命 令的发送、采集数据的接收、波形的实时显示以及数据的记录与回放等功能。 设计制作了基于u s b 2 0 的多通道动态心电记录仪。该记录仪除了研究了基 于u s b 2 0 的数据采集传输及控制，还包括心电模拟信号的采集放大，电池供电设 计及供电模式的切换，大容量数据的存放及管理，友好的人机交互设计，对低功耗 设计的考虑等该记录仪是u s b 2 0 数据采集传输最小系统批量传输形式的一个实 际应用。 设计制作了基于u s b 2 0 与s m s 的绝缘子污秽紫外在线监测系统。该系统 5 重庆大学硕士学位论文 包括监测前端( l p - i 绝缘子污秽监测仪) 、接收终端、监测服务器三大部分，其中 监测前端负责绝缘子污秽状态记录和记录数据的传输等，是整个系统设计的关键部 分；接收终端接收前端通过s m s 方式发来的采集数据，并通过u s b 2 0 采集传输最 小系统向服务器传输数据；监测服务器显示并分析接收到的数据，监视脉冲数的异 常变化。本文重点完成了l p - 1 绝缘子污秽监测仪的开发以及基于s m s 和u s b 2 0 的数据传输通道的建立及实现，并制定了监测数据的传输格式及策略。该监测系统 是u s b 2 0 数据采集传输最小系统中断传输形式的一个实际应用。 6 2 u s b 协议简介 2u s b 协议简介 u s b 是近年来应用在p c 领域的一种快速、方便、廉价的新型总线接口技术， 是一些p c 大厂商如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板 插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。自1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相 以来至今已广泛地为各p c 厂家所支持。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口， 目前流行的操作系统无一例外都具备对u s b 的支持。u s b 规范能针对不同的性能 价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件及相应不同的功能，其主要 特色可归结为以下几点： 终端用户的易用性： 为接缆和连接头提供了单一模型； 电气特性与用户无关： 自我检测外设，自动地进行设备驱动、设置； 动态连接，动态重置的外设。 广泛的应用性； 适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率； 在同一线上支持同步、异步两种传输模式； 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； 在主机和设备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。 同步传输带宽： 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用； 同步工作可以利用整个总线带宽。 灵活性： 直接一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器大小的选择； 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。 健壮性： 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。 7 重庆大学硕士学位论文 与p c 产业的一致性： 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。 价廉物美 以低廉的价格提供1 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； 运用了商业技术。 升级路径： 体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个u s b 主机控制器。 以上详细列出了u s b 的特点，其中是非常值得借鉴和学习的。正因 为u s b 总线有着以上的诸多优点，使其从产生至今的短短十年问得到了飞速的发 展。目前，国内外已推出了成百上千种u s b 设备，包括u s b 集线器、打印机、扫 描仪、存储器、数字音箱、数码相机和调制解调器等等。u s b 设备在实际应用中已 逐渐取代了传统外设，因此研究u s b 及其应用具有一定的意义。本章将介绍设计 u s b 设备所必须的基本协议知识。 2 1u s 3 总线的物理和电气特性 u s b 数据传输采用四根电缆，其中两根( d + ，1 3 - ) 是用来传送数据的串行通 道，另两根( v b u s ，g n d ) 是符合标准的电源线，可为下端的u s b 设备提供电源， 如图2 1 所示1 4 1 1 9 j 。 其中，d + 、d 是串行数据通信线，它支持两种数据传输速率，对于高速且要 求高带宽的外设，u s b 总线以全速1 2 m b p s 或高速4 8 0 m b p s 传输数据；对于低速外 设，则以1 5 m b p s 的传输速率传输数据。u s b 总线会根据外设情况在不同的传输模 式中自动地动态转换。v u u s 通常是+ 5 v 电源，g n d 是地线。u s b 总线是基于令牌 的总线，类似于令牌环网络或f d d i 基于令牌的总线 图2 i u s b 电缆 f i 9 2 1u s bc a b l e 0 2 u s b 协议简介 2 1 1 设备的连接和速度的检测 高速设备和低速设备的区别在于电缆上行端的上拉电阻位置不同，如图2 2 和 图2 3 所示。高速设备电缆上行端的上拉电阻位于d + 线上，低速设备电缆上行端的 上拉电阻位于d - 线上。u s b 总线也是以此来判别连接到总线上的设备是高速的还 是低速的。 印 = ( )( ) =道圄 r 蝉一1 5 k n + 1 5 r p d l 舳t l ， 图2 , 2 低速设备电缆和电阻连接 f i 9 2 2c 0 1 n 枷o r lb e “嘞l o w - s p e e dd c “a n di t sm s i s t a m 回 u r b b u l k t r a m f e r t a n s f e r b u f f e r l e n g t h ； i i n f o r m a t i o n ( ) = u i r e t u r a ； 设置返回信息 i s t a t u k ) = s t a t u s ；设置状态 r e t i l r ns t a t u s ； ) 上面提到的u r b 是u s b 请求块的缩写，是u s b 总线驱动程序支持的一个联合， 每个功能代码使用其中的一个u r b 结构，详细说明它的输入或输出参数。u r b 的 处理结果在s t a t u s 中返回。 3 ) 用d r i v e r m o n i t o r 和s o f l i c e 进行调试。 调试w d m 驱动程序较常用的工具是d r i v e r m o n i t o r 和s o f i i c e 。d r i v e r m o n i t o r 是d r i v e r s t u d i o 提供的开发工具之一运行它可观察w d m 或n t 驱动程序在 c h e c k e d 状态下的输出流。d r i v e r m o n i m r 有两个输出通道m o m m r 和d e f a u l t ， m o n i t o r 输出的是与命令相关的事件，d e f a u l t 输出的是w d m 或n t 驱动程序在 c h e c k e d 状态下的输出信息。d r i v e r m o n i t o r 易于使用，但某些错误必须借助于 s o 街c e 才能发现。 s o r i c e 是m u l v l e g a 公司开发的功能非常强大的调试软件。它结合了硬件调试 器的强大功能和符号调试程序的易用性，能够显示程序原代码，允许通过符号名访 问局部和全局的数据。s o r i c e 可调试任何代码，包括中断例程以及n t 和w d m 的核心；可设置断口读写、内存读写和中断的断点；可显示n t 和w d m 的信息等。 u s b 设备驱动程序的安装 上面用d r i v e r w o r k s 开发的u s b 设备驱动程序将生成两个文件，这里将其命名 为i s p l 5 8 1 u s b i n f 和i s p l 5 9 l u s b 町僵。其中i s p l 5 8 1 u s b 黟s 为设备的驱动程序需 拷贝到c ：、w i n d o w s 、s y s t e m 3 2 目录下，i s p l 5 8 1 u s b i n t 为驱动程序的的配置文件， 重庆大学硕士学位论文 在外部u s b 设备首次接入到p c 机的u s b 接口，操作系统会提示安装未知设备的 驱动程序，指定i s p l 5 8 1 u s b i n f 为此未知设备的驱动配置文件，即可完成安装。 4 4 客户应用程序开发 数据采集传输系统客户端软件需要完成的主要功能有： 接收设备端传来的所有数据，并根据用户的需要显示或保存这些数据； 对设备端进行设置和控制； 回放过去保存的历史数据； 人机接口界面的设计。 与设备端固件开发相同的地方，客户端应用软件开发也必须严格遵守应用层协 议的规定；不同的地方，应用软件开发目前还不需要考虑移植的问题；新出现的问 题，数据采集系统软件开发必须考虑人机交互界面的设计。 4 4 1 软件执行流程 创建数据采集线程 l 数据采集线程的初始化l i 应用程序初始化 yf ：_ 汰塞止数据采集线程 q 霆竺罗 l n 发送数据采集命令 设定一。次采集的数据量 t 应用程序界面 设置定时器f 打开设备 f 发送查询命令 l 获取设备信息i 准备读取数据 复位管道 l 状态控制命令l n 适设定显示参数 y i 卖取f l a s h i 实时显示彗霎存数据 j 发送停止采集命令l 保存f l a s h 数据l 丽氽y l 采集数据回放l 三一 信息显示 i 一t y i 赢：三= 赢nj 关闭设备l 弋：= 7 - l 退出采集线程 卜 图4 1 5 应用程序执行流程图 f i 9 4 1 5a p p l i c a t i o np r o g r a mi m p l e m e n tf l o w c h a r t 4 8 4u s b 2 0 数据采集传输最小系统软件设计 应用程序的框架如图4 1 5 所示，采用了双线程执行的体系结构，主界面线程用 于向设备发送控伟4 命令，读取设备f l a s h 中的数据。数据的保存，历史数据的回 放以及各种信息的显示；数据采集线程相当于工作线程，完成数据的实时采集、显 示以及存储的整个过程。 在数据采集线程中，主机首先要发出采集命令，启动设备的数据采集并规定每 次传输的数据量，然后定时查询设备状态，接收规定量数据。在查询的时间间隔里， 设备需要按每次的数据传输量缓存采集数据，等到查询命令到达，就可以把缓存中 的数据传回。但是查询命令并不总是发生在设备采集完规定数据量的时刻，要使采 集数据连续，中间不丢失，设备固件中需设置双缓冲且查询的时间间隔需满足以下 关系：t 瓿啪黼+ t 船- 示+ t m c m m 存 t t 帅_ 7 0 时的放电次数大于一定的阀值，则可认 为该串绝缘子的放电变化是污秽引起。若某串绝缘子在湿度变化情况下均放电次数 较高，则认为该串绝缘子可能存在劣化绝缘子。通过对检测环境的温度湿度数据加 以分析推断，可以辨别污秽绝缘子和劣化绝缘子。 6 2 3 日盲型紫外光敏管简介 绝缘予放电时伴随有光现象，其中包含一定的紫外光，但主要光能带远离日盲 6 基于u s b 2 0 与s m s 的绝缘子污秽紫外在线监测系统研究 区。为了实现日光下的紫外放电检测，检测装置需要只对日盲区紫外光敏感，对其 他光谱段不反应。低于3 0 0 n m 的紫外光是迅速减少的，所以对紫外光敏管灵敏度的 要求较高。因此，采用高灵敏度的日盲区紫外光敏管来感应绝缘子的微弱放电。 紫外光敏管是一种基于金属的光电发射效应和电子繁流理论 3 s x 4 _ 7 】的光电转换 器件，其光电阴极由只对紫外线敏感的紫外材料制成，在紫外线照射下发射光电子。 在传感器的阳极和光电阴极之间加上电压后，就在两极之间建立了电场。当紫外线 射在光电阴极表面，如果入射光能量大于阴