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u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 摘要 通用串行总线( 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，仅用了短短几年的时间，这一切都得益于它简便易用、真正的 热插拔、高性能和系统造价低廉等优点。u s b 技术提供了一种优秀的数据采集系 统的解决方案。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。同时，随着计算机技术的发展，个人p c 机的 功能越来越强大，虚拟仪器技术也正在飞速发展，具有广阔的发展前景。这两种 技术的融合在测量仪器中的应用将成为新的趋势。 将u s b 技术应用于工业生产和科研教学实践中的参数采集，是一个很实际的 问题。为此，我选择了常用到的交流电参数作为采集对象，运用u s b 技术和虚拟 仪器技术共同完成这个采集系统。 本文研究了u s b 总线的交流电参数测试系统的解决方案、组成结构及其特 性。整个测试系统完成对6 路输入交流电信号的采样，而且可对每路信号进行同 步采样。a d 转换精度为1 2 位，另外系统还具备数据掉电保护功能，采用f l a s h 存储器保存5 秒的采样数据，同时该系统的最大特点是具备与计算机的u s b 通信 接口，这使得整个系统变得更加方便易用，增强了系统的灵活性。该测试系统不 但可以使用户直接通过采集板上的键盘完成对系统的控制，通过l c d 对输入信号 的波形进行观察，同肘它也是一台虚拟仪器：即在计算机端的客户软件上完成了 系统的所有功能，可直接通过测试系统用户界面对仪器进行操作，并且具备数据、 波形的存储和打印功能。本文从u s b 的原理、系统硬件和软件三个方面，具体阐 述了u s b 接口设计、m c u 控制电路设计以及m c u 和计算机软件控制、驱动、用户 界面设计。 关键词：通用串行总线：电参数；c h 3 7 1 ；驱动：w i n d o w s o v r e s e a r c ho nu s bt e c h n o i o g ya n da p p li c a t i o nt o p a r a m e t e r so fa it e r n a ti n go u r r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t s i np cp e r i p h e r a li n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g ys i n c e t h ei n t r o d u c t i o no fs e r i a l a n dp a r a l l e lp o t t si nt h ee a r l y1 9 8 0 s t h eb e n e f i t so fu s b 。s u c ha se a s e o fu s e ，t r u ep l u ga n dp l a y ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n dr e d u c e do v e r a l ls y s t e m c o s t ，a r ej u s t af e wo f t h er e a s o n st h is t e c h n o l o g y h a s g o n e f r o m s p e c i f i c a t i o nt op r o d u c td e v e l o p m e n ti nl e s st h a n2y e a r s u s bc a np r o v i d e a ne x c e l l e n td a qs o l u t i o n u s bg i v et 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 m1 i k em o r eap i p e l i n e a tt h es a m e t i m ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ep o w e ro fp e r s o n a l p ci s b e c o m i n gg r e a t e r a n d g r e a t e r a n d t h e t e c h n o l o g y o fv i r t u a l i n s t r u m e n tw h i c hi sb e i n gd e v e l o pa tv e r yf a s ts p e e dh a sg r e a tf o r e g r o u n d i tw i l lb e c o m eo n en e wt r e n dt oa p p l yu s ba n dv i t e c h n o l o g yt om e a s u r e i n s t r u m e n t t h et h e s i sd i s c u s s e s p a r a m e t e r s o ft h e a l t e r n a t i n g c u r r e n t m e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e do nu s b t h e s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n d a p p l i c a t i o no ft h ew h o l es y s t e ma r es t u d i e di nd e t a i l s t h es y s t e mi sa b l e t oc o m p l e t et h ed a t as a m p l eo f6s i g n a l si n p u t s ，a n dh a s t h ea b i l i t yt o s a m p l es i m u l t a n e o u s l yo fe v e r ys i g n a li n p u t t h ec o n v e r s i o ni s1 2b i t s h o w e v e r ，t h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e ro fi ti st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c u a n dp cb a s e do nu s bt e c h n i q u e ，w h i c hm a k ew h o l es y s t e mm o r ec o n v e n i e n t a n dm o r ef l e x i b l e t h es y s t e mi sa l s oav i r t u a ld e v i c e t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ed e s i g no fu s bi n t e r f a c e ，c i r c u i to fm c u ，f i r m w a r ei nm c u ， d r i v e ra n du s e ri n t e r f a c e a tl a s t p r o v i d es o m er u n n i n gr e s u l t sf o r r e f e r e n c e k e yw o r d s ：u s b ：e i e c t r i cp a r a m e t e r ；0 h 3 7 1 ：d r i v e t ：l a b w i n d o w s o v u s b 技术的研究及在交流电参数浸j 试系统中的应用 1 1 u s b 概述 第1 章绪论 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 即通用串行总线，实际上是设备插架的一种 规范。p c 机箱上的u s b 端口可以连接许多设备，这些设备可以互相连接在一起。 而且不同类型的设备组成可以通过一种称为u s b 集线器( h u b ) 的硬件分离开来， 这些都是与传统的串口上只能链接一个设备有着本质区别的。它用来把串口、并 口等不同的接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头， 采用菊花链形式( 星型结构) 可以把所有的外设连结起来，并且不会损失带宽。 也就是说，u s b 将取代当前p c 上的串口和并口。所以当提到u s b 时，与其将它 想象成一个串口，还不如将它想象成一个连接有不同设备的网络，就像我们所熟 悉的以太网一样”4 。 u s b 是近年来应用在p c 领域的新型接口技术，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，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，m i c r o s o f t 的 w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p ，n t 以及m a c o s ，l i n u x 等主流操作系统都增加了对u s b 的 支持“3 ”。目前u s b 被应用在视频会议的摄像采集、扫描仪、监视器、p c 电话设 备、人机交互设备如键盘、游戏设备等。时至今天，支持u s b 的设备数量已经相 当可观，u s b 接口的种种优势正在显示出来，可以预见，以后的主板上将没有 p s 2 、c o m 等规格不已的外设接口，取而代之的是数个u s b 接口，所有的外设都 通过这一接口连接。u s b 不仅可以支持中低速设备，还可以支持高速设备，这大 大拓宽了它的应用范围。 u s b 总线的特性主要体现在以下几方面： 1 u s b 为所有的u s b 外设提供了单一的、易于使用的标准的连接类型。 2 u s b 支持热插拔( h o tp l u g ) 和p n p ( p l u g a n d p l a y ) ，即在不关闭p c 的情 况下可以安全的插上和断开u s b 设备，计算机系统动态地检测外设的插拔。 3 无需系统资源。不像i s a 、e i s a 、p c i 设备，u s b 设备不需要内存和i o 地址 空间，而且也不需要中断请求线路。 4 u s b 在设备供电方面提供了灵活性。5 伏的直流电压可以直接加在数据线上。 5 u s b 提供全速1 2 m b p s 的速率和低速1 5 m b p s 的速率来适应各种不同类型的外 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 设。u s b 2 0 还支持4 8 0 m b p s 的高速传输速率。 6 为了适应各种不同类型外围设备的要求，u s b 提供了四种不同的数据传输类 型。 7 u s b 的端口具有很灵活的扩展性，一个u s b 端口串接上一个u s bh u b 就可以 扩展为多个u s b 端口。支持多个设备，每个u s b 总线支持1 2 7 个设备的连接。 本文把u s b 技术应用到了电参数测量采集中，下面简单介绍电参数测量技术 的发展概况。 1 2 电参数测量及仪表技术的发展状况 工业生产和科研教学实践中，需要经常对交流电参数进行测试与分析，其中， 电参数的采集成为最基本的环节。通过对这些电参数的实时检测和分析能够了解 设备的性能、运行状况和健康状况。而在各种电参数的测试中，电压、电流和功 率又是三个最为基本的检测量。”。 电测量理论及仪表技术的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。在 电；贝| l 量技术的早期和中期，对电参数的测量一般采用模拟方式。这时期的仪器 仪表是第一代指针式的仪表，如实验室中至今还在使用的万用表、电压表、 电流表、功率表及晶体管电压表等等。 2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和微电子技术的引入，促进了电测量及其仪 表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被第二代数字式仪表所代 替。这类仪表以其快速响应和测量的高精度得到了广泛的应用，如目前工程上和 实验室使用的数字频率计、数字功率计、数字万用表以及数字式测试仪表和数字 式显示仪表等等。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，电测量与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。 出现了第三代的测量仪表就是智能仪器。国际上通称为微机化仪表 ( m i c r o c o m p u t e ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，这类仪器仪表中含有微处理器、单片计算 机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器( 或基于微型机的仪 器) ，功能丰富灵巧，常常简称为智能仪表( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ) 。智能 仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物。 随着大规模集成电路的飞速发展，p c 机的速度以大幅度提高，因而以p c 机 为平台发展的参数测量系统已经成为当今测量技术的一个重要方面。智能仪器发 展的最新形式是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) ，所有测量测试仪器 的主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示等三大部分组成，其 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提 供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机 的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器( v i ) 。“。虚拟仪器可使用相同的硬件 系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系 统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小 了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 当硬件平台i 0 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该种 功能的测试仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互 联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是 说，仪器的设计制造不再是厂家的专利，虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪 器设计者的时代。 虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬 软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块 化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善。不仅在电子测量领域、过程控制 领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统 也将越来越普遍。 对于科研教学实验以及工厂某些特定需求来说，目前市场上的电参数测量仪 器也许并不适用，价格高昂、体积较大且很多专业功能并不实用。结合生产科研 的实际需要，当前电参数的测量已经从简单的有功电度和无功电度测量发展到测 量电压( 相电压平均值) 、电流( 相电流平均值) 、功率因数、有功功率、无功 功率、视在功率以及其他电力参数值的测量。而完成的功能也要传统的计量发展 到多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量( 有线或无线) 等。因此迫切需要对电测仪表进行改进，设计出一种高质量、高可靠性、价格低 廉、方便灵活的电参数测试仪。以帮助技术人员对所测量信息进行分析，以了解 现场设备运行状态。而这些功能的实现就必须采用以单片机、新型总线技术及虚 拟仪器技术为核心的智能化电参数测量仪。 1 3 微机常用外部总线的比较 自从p c 被广泛应用于工业控制和监测领域，对现场数据的采集总是采用以 下模式：信号经传感器经数据采集单元进入p c ，然后p c 对现场数据进行分析处 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 理，数据采集单元与p c 机的通讯手段主要是通过r s 4 8 5 总线或p c 内置的i s a p c i 板卡两种方法。这种将数据采集电路做成板卡的形式的方法，要占用p c 的一个 p c i 总线扩展槽，如图卜1 。p c i 的最大传输速率能达到1 3 3 m b p s ，可以满足传输 速率的要求。这种内置式形式受资源限制、可扩展性差、不能实现热插拔，因而 不便于户外作业。此外，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等。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够 提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维 护。 图1 - 1 利用p c i 总线的数据采集 普通的外置式采样系统一般通过r s 一2 3 2 c 与p c 连接。但是r s - 2 3 2 c 串口的 l1 5 k b p s 的传输速度显然成为采样系统与p c 接口的速度瓶颈，而且一条r s 一2 3 2 串口通信电缆只能连接一个物理设备。r s 4 8 5 是一个扩展性能良好的低速总线， 被广泛应用在温度、压力、流量的数据采集中，但对于大数据量r s 4 8 5 的传输带 宽远不能达到要求。因此，对于实现外置式中高速、高精度采样系统而言，提高 p c 与外置式采样系统数据通道的传输速度是必要的。 从引言中对u s b 总线特点的简述可以看出，通用串行总线的出现，很好地解 决了以上这些冲突。u s b 为多点参数检测、数据采集提供了很大的便利。利用u s b 可以实现较传统方式更方便、更经济、点数更多的多点参数采集。 总起来看，现在电脑的普及程度也达到了相当的规模，利用电脑以及附加的 数据采集模块实现一个灵活便捷的交流电参数检测仪能够满足大多数的工作、学 习和开发需要，并且可以通过较低代价的硬件和软件升级实现相当复杂的信号处 理功能，能够以较低的成本、较小的体积实现配置灵活的智能仪器组合；完全可 以与便携电脑结合，构成便携式检测维修工作站。特别是u s b 的应用e t 趋广泛和 深入，如果将u s b 功能融合在里面则可以实现更高的数据传输率、更方便的使用 方式，更为优越的体现出虚拟仪器的性能。 1 4 论文的主要工作和各章内容 本论文的主要研究了u s b 总线技术在交流电参数检测中的应用。具体来讲就 是设计一个基于u s b 总线的交流电综合参数测试系统，在采集板卡与计算机之间 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 实现了u s b 接口的互联。主要工作包括： 1 数据采集部分的设计，主要是电子元件的选择和电路部分的设计。 2 采集板卡与计算机接口部分的设计，通过采用u s b 接口芯片实现u s b 的互联。 3 采用v c + 十和d d k 进行w i n d o w s 下的u s b 驱动程序的开发。 4 进行主机客户端综合电参数测试软件的设计，提供友好的用户界面。 论文的第一章绪论首先介绍了u s b 总线特点、电参数测量及仪表技术的发展 状况，最后对几种微机常用的外部总线进行了比较。第二章是对u s b 总线技术的 概述，介绍了u s b 总线的拓扑结构、数据流模型及u s b 协议。第三章是u s b 系统 通信机制，描述了u s b 的通信模型和传输机制。第四章与第五章是本论文的工作 重点和难点，这两章分别是整个基于u s b 总线的交流电综合参数测试系统的硬件 设计和软件设计，从硬件上的关键器件的选择、各组成电路的功能分析到软件上 的w i n d o w s 驱动程序设计、固件程序设计及面向用户的客户软件的设计逐一加以 详细的叙述。第六章是论文的总结和展望。 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 第2 章u s b 总线概述 2 1u s b 总线的拓扑结构 u s b 设备和u s b 主机通过u s b 总线相连。u s b 的物理连接是一个星型结构， 集线器( h u b ) 位于每个星型结构的中心，每一段都是主机和某个集线器，或某 一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功 能模块之间的点到点的连接“_ 3 “。如图2 1 ： 2 1 1u s b 主机 图2 - 1u s b 总线拓扑结构 在整个u s b 系统中只允许有一个主机。主计算机系统的u s b 接口称之为u s b 主控制器。这里u s b 主控制器可以是硬件、固件或软件的联合体。而根集线器是 集成在主机系统中的，它可以提供一个或更多的接入端口。u s b 主机通过主控制 器与u s b 设备交互“2 “3 。主机主要负责以下操作： 1 检测u s b 设备的插入和移出。 2 在主机和u s b 设备之间管理数据流。 3 搜集状态信息和活动统计信息。 4 为接入的u s b 设备提供数额受限的功率。 2 1 2u s b 设备 从协议的角度u s b 设备包括：集线器提供用以访问u s b 总线的更多的接 6 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 入点；功能部件向系统提供特定的功能。典型的功能设备如：定位设备、人 工输入设备、输出设备等。 2 2u s b 数据流模型 一个u s b 主机和个u s b 设备之间的简单连接需要一些分层和实体之间的交 互“3 ”。如图2 2 所示。u s b 总线接口层为主机和设备提供了物理的信令分组 连接。u s b 设备层是u s b 系统软件中用于对一个1 j s b 设备执行通常的u s b 操作的 部分。而功能层通过个适当匹配的客户软件层向主机提供一些附加的功能。对 于u s b 设备和功能层而言，这两层都有其层间的逻辑通信，而这种逻辑通信实际 上是通过u s b 总线接口层完成其数据传输的。 ，一望。譬j 望墼! 鼎七? 峥i 旧纠i 功辨 奉兰：i 雪竺i ? r 一口一一1l ：r 一 - - 、 唾崮固书；l 黑兰。| ； m 总蟥接口层 _ - _ 卜 实际的通信流c - -逻辑通信流 图2 - 2u s b 数据流模型 2 2 1 设备端点 端点是一个u s b 设备唯一可以确认的部分，它是主机和设备之间的通信流终 点。每一个u s b 逻辑设备都包含了一个相当独立地进行操作的端点集合。软件只 能通过一个或多个端点与一个u s b 设备通信。在设备接入时，每一个逻辑设备都 有一个由系统分配的唯一的地址。而一个设备上的任一端点都由一个由设备而定 的唯一的表示和端点号。利用设备的地址和端点号就可以唯一的指定任一端点。 端点可以决定端点和客户软件之间通信所需要的传输服务类型。一个端点由 以下内容来描述：总线访问频率延时要求、带宽要求、端点号、差错控制要求、 端点可以接收或传递的最大分组、端点的传输类型、传输方向。在对其进行配置 之前，端点处于一种不确定的状态。所以只有在对其进行了配置工作之后，主机 才能访问某个端点。 1 端点0 的要求 所有u s b 设备都要用端点0 ，该端点用于对一个逻辑设备进行初始化和一般 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 的操作( 即对一个逻辑设备进行配置) 。端点0 提供了对设备配置信息的访问权， 通过它还允许访问一般的u s b 状态和控制操作。端点0 总是在设备一经接入和上 电时就进行配置。 2 ，非端点0 要求 由于具体应用的需要，功能设备还具有别的端点。除了端点0 之外，低速功 能设备有两个端点可供选择。对于全速设备，它的附加的端点数仅受到协议的限 制，即最多可由1 6 个输入端点和1 6 个输出端点。 2 2 2 管道 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上的软件的联合体。管道表示经过 一个存储器缓冲区和一个设备上的端点，可以在主机上的软件之间传送数据的能 力。有以下两种不同的非斥的管道通信类型： 1 流管道数据通过该管道时不具有确定的u s b 定义的结构，数据流从一端 进入总线，并以同样的顺序从另一端流出。而且在通信流中流管道通常不是 双向的。流管道中的数据以顺序的方式经过管道，即先进先出方式。通往某 个设备的一个流管道，在适当的方向一定要与一个唯一的设备端点号相对应 ( 即与协议层所指定的一个i n 或o u t 令牌所对应) 。流管道可以支持批量、 同步和中断传输类型。 2 消息管道数据通过管道时具有u s b 定义的某种结构。它用与流管道完全 不同的方式来与端点进行沟通。首先，主机向该u s b 设备发出一个请求：该 请求后面是适当方向的数据传输；最后，在后来的某一时刻端点会返回个 状态作为响应。为了适应请求数据状态模式，消息管道要求通信流具有一 定的结构，这样命令就可以被可靠地识别和通信。消息管道允许双向的通信 流存在。与端点0 对应的管道，即缺省管道，总是一个消息管道。一个通向 一个设备的消息管道要求在两个方向都具有唯一的一个对应的端点号( i n 或o u t 令牌) 。u s b 不允许在任一方向，一个消息管道与不同的端点号向对应。 消息管道支持控制传输类型。对一个u s b 设备配置后，就会形成管道。由于 一个u s b 设备上电后总要对端点0 进行配置，所以端点0 总是拥有一个管道。 该管道称为缺省管道。系统软件利用该管道来确定设备识别和配置要求，并 对设备进行配置。当设备配置完毕后，该设备的专用软件也可以使用缺省管 道。一个客户软件通常是通过向一个管道发出i r p ( i 0 请求分组) 来要求 传输数据，发出i r p 之后客户软件就等待或得到指示。有关i r p 定义的细节 8 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 由具体的操作系统而定。 2 3u s b 协议 2 3 1u s b 域 1 s y n c 域” 所有的分组都由一个同步域( s y n c ) 开始，它是一个经过编码后的序列，具 有最大的连续变化的密度。s y n c 域的长度定义为8 b i t 。s y n c 仅仅用作一个同步 机制，它的晟后两个比特是一个标记，用于识别p i d 的第一个比特。 2 分组域格式 1 ) p i d ( 分组标识域) 一个p i d 紧跟在每一个u s b 分组中的s y n c 域之后。一个p i d 包括了一个4 b i t 的分组类型域，再加一个4 b i t 的校验域。如图2 3 图2 - 3p i d 分组 p i d 可以分成四个码组：令牌、数据、握手和特殊类型。p i d 类型如表2 - 1 。 2 ) a d d r ( 地址域) a d d r 域通过其地址而对功能设备加以区别，它可以利用令牌p i d 的值来说 明该功能是一个数据分组的发送者还是接收者。 3 ) e n d p ( 端点域) 一个附加的4 比特e n d p 域允许对那些需要不只一个子信道的功能模块进行 更灵活的寻址。规定端点域只能供i n ，s e t u p 和o u t 令牌的p i d 使用。 4 ) 帧标号域 帧标号域有1 l b i t 长，每过一帧主机都要对其加l 。 5 ) 数据域 数据域的范围可以从0 到1 0 2 3 b ，并且必须具有整数个字节。 6 ) c r c ( 循环冗余校验域) c r c 用于对令牌和数据分组中的所有非p i d 域进行保护。 p i d 类型p l d 名称 p i d 3 ：0 】 令牌 o l r rb 0 0 0 1 l nb 1 0 0 1 s o fb o l o l s f 删pb ”0 1 数据d p 姒0b 0 0 1 1 9 u s b 技术的研究发在交流电参数测试系统中的应用 d a t a lb 1 0 1 1 握手a c kb 0 0 l o n a kb l o l o s t a l lb 1 1 1 0 特定p r eb l l o o 2 3 2u s b 分组格式 表2 - 1p i d 类型 1 令牌分组 一个令牌包括一个用于区别是i n 、o u t 或s e t u p 分组类型的p i d 域、a b d r 及e n d p 域。对于o u t 和s e t u p 处理操作而言，地址和端点域可以唯一的标识一 个将接收后续数据分组的端点。对于i n 处理操作而言，这些数据域将唯一的标 识一个即将发送一个数据分组的端点。只有主机才能发送令牌分组。 2 帧开始分组( s o p ) s o f 分组包含一个用于指示分组类型的p i d ，后面还跟有一个儿比特的帧标 识域。s o f 令牌由仅对令牌进行处理的操作组成，它在依据每一帧的开始而精确 定时的时间间隔内分配一个帧开始标记和帧标号。 3 数据分组 一个数据分组包括一个p i d ，一个数据域和一个c r c 域。不同的p i d 可以区 别两种类型的数据分组：d a t a o 和d a t a l 。数据必须以整数个字节进行发送。 4 握手分组 握手分组仅包含个p i d 。它用于报告一个数据处理操作的状态，并能够返 回数值来指示数据的成功接收、流量控制和停止条件。只有支持流量控制的处理 操作类型才能返回握手信息。总共有三种类型的握手分组： 1 ) a c k 说明接收的数据分组在整个数据域没有比特填充或c r c 错误，而且 数据p i d 也是正确地接收。 2 ) n a k 说明一个功能设备不能从主机( o u t ) 接收数据或一个功能设备没有 数据可以向主机( i n ) 传输。 3 ) s t a l l 由一个功能设备对一个i n 令牌做出响应时，或在一个o u t 处理之 后的数据阶段返回。s t a l l 说明一个功能设备不能传输或接收数据。 5 ，握手响应 完成传输和接收功能的功能设备，必须根据表2 2 至表2 3 所说明的先后次 序来返回握手分组。不是所有的握手分组都被允许使用。这依赖于处理操作类型 和该握手分组是由一个功能设备还是由主机发出的。 1 0 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 i ) 功能设备对i n 处理的响应 i 接收的令牌分组被破坏功能设备投送端点被禁止功能设各可以发送数据采取的操作 l是无关无关不返回任何响应 香是无关发送s t a l l 握手 否否否发送n a k 握手 否否是发送数据分组 表2 2功能设备对i n 处理的响应 表2 2 给出了一个功能设备对一个i n 令牌做出响应时，可能使用的响应。 如果该功能设备由于一个停止或流量控制条件而不能发送数据。它就会分别发送 一个s t a l l 或n a k 握手分组。如果该设备可以发送数据，它就不会进行上述操作。 如果接收到的令牌几经被破坏，功能设备就不应做出任何响应。 数据分组被破坏主机可以接收数据主机返回的握手 是n a丢弃数据，不返回任何响应 不不 丢弃数据，不返回任何响应 不是接收数据，发送a c k 表2 3主机对i n 处理的响应 表2 3 给出了主机对i n 处理的响应。主机只能返回一种类型的握手分组， 即一个a c k ，如果主机收到了一个遭破坏了的数据分组，它就会抛弃数据并且不 发送任何响应。如果主机不能从一个功能设备接收数据( 由于像内部缓冲区溢出 这样的问题) ，这一情况就会被认为是一个错误，而主机不会返回任何响应。如 果主机可以接收数据，并且所接收到的分组没有任何错误，那么主机就会接受该 数据并发送一个a c k 握手分组。 2 ) 功能设备对一个o u t 处理的响应 对于一个o u t 处理的握手响应如表2 4 。一个功能设备，当其接收到一个数 据分组时，可以返回三种握手类型中的任意一种。如果数据分组被破坏，该功能 设备不会返回任何握手分组，如果收到的数据分组没有错误，而该功能设备的接 收端点被禁止，它就会返回一个s t a l l 握手分组，如果该处理操作保持了比特序 列同步并且检测到了一个不匹配之处，那么该功能模块就会返回a c k 并丢弃这个 数据。如果一个功能设备可以接收数据，并且它所接收到的数据没有错误，它就 会返回一个a c k 握手分组。如果由于流量控制的原因使一个功能设备不能接收数 据分组，它就会返回一个n a k 分组。 3 ) 功能设备对一个s e t u p 处理的响应 创建操作定义了由主机至功能设备的一种特殊类型的处理操作，这种处理操 作允许主机将一个端点的同步比特初始化为主机的同步比特。一旦收到了一个创 建处理操作，功能设备必须接受该设备。创建处理操作不能被禁止或不予回应。 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 进行接收的功能设备，必须接受创建操作所传送的数据。如果一个非控制端点收 到了一个s e t u pp i d ，它必须忽略该处理操作并且不能返回任何响应。 表2 4功能设备对一个o u t 处理的响应 数据分组被破坏接收器被禁止 序列比特不匹配功能设备可以接收数据功能设备返回的握手 是n ，an an a无 不 是n n ks t l l 不不不是a c k 不 不 不是a c k 不 不 不 不 n a k 2 ，3 3 处理格式 根据端点的类型，分组处理格式会有所不同。总共由四种端点类型：批量、 控制、中断和同步。 1 批量处理操作 批量处理操作类型的特性是：通过差错检测和重试的方法，它可以保证在主 机和一个功能设备之问进行无差错的数据传输。批量处理的操作利用了一个具有 三个阶段的处理操作，包括令牌、数据和握手分组。如图2 - 4 ，在一定的流量控 制和停止条件下，数据阶段可以被一个握手分组所取代，从而产生一个只有两个 阶段的处理操作，其中没有数据被传送。 图2 - 4 批量传输 当主机希望接收批量数据时，它就会发出一个i n 令牌。功能设备端点要么 返回一个数据分组，或者要是它不能返回数据的话，就返回个n a k 或s t a l l 握手分组来作为响应。一个n a k 说明该功能设备暂时还不能接收数据，而一个 s t a l l 则说明该端点已经被永远禁止，需要主机软件干预。如果主机收到了一个 正确的数据分组，它就会以一个a c k 握手来响应。如果主机在接收数据时检测到 了个错误，它就会向功能设备返回一个握手分组。 当主机希望传输批量数据时，它首先发出一个跟有一个数据分组的o u t 令 牌。功能设备会返回三个握手分组中的一个分组。a c k 说明数据分组已经被无误 1 2 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系绩中的应用 的接收，并通知主机它可以按顺序发送下一个分组。n a k 说明接收到的数据没有 错误，但是由于该功能设备暂时处于一种阻止其在该时刻接收数据的状态，所以 主机应该重新发送这一数据。如果端点被禁止，就会返回s t a l l 分组来指出：由 于功能设备上存在一个错误，主机不该对该传输进行重试操作。如果接收到的数 据分组存在一个c r c 或比特填充错误，就不会返回任何握手分组。 2 ，控制传输 控制传输最少具有两个处理阶段：创建和状态。一个控制传输可以选择在创 建和状态阶段之间再包含一个数据阶段。在创建阶段，一个创建处理操作用于向 一个功能设备的控制端点传送信息。创建处理操作所具有的格式与一个o u t 处理 很相似。但是它使用的是s e t u p 而不是o u tp i d 。 奇瞬 i - i _ 一_ 叠手 空舶 图2 - 5 控制传输 图2 5 给出了创建处理操作格式。一个创建处理操作总是对其数据域使用一 个d a t a op i i ) 。接收一个创建处理的功能设备必须接受创建处理数据并用一个a c k 握手分组来响应，或者如果这一数据被破坏了，它必须丢弃该数据并且不返回任 何握手分组。 如果一个控制传输内有数据阶段的话，那么这个数据阶段就包含了一个或多 个i n 或o u t 处理，并且要遵循和批量传输一样的协议原则。在数据阶段所有的 处理操作都必须具有同样的方向，即全部为i n 或全部为o u t 。在数据阶段所传 送的数据量及其方向都是在创建阶段加以说明了的。 一个控制传输中的状态阶段是该序列中的最后一个操作。一个状态阶段由相 对于前一个阶段数据流方向的变化来描述，并且总是使用一个d a t a lp i d 。状态 阶段向主机报告该传输中前一个创建和数据阶段的输出。可能返回的三种结果 是： 1 ) 命令序列成功地完成： 2 ) 命令序列未能完成： 3 ) 功能设备正在忙着完成命令。 报告状态总是具有从功能设备到主机的方向。表2 - 5 对每一种结果所要求的 响应类型作了总结。 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 表2 - 5状态阶段响应 状态响应控制写传输( 在数据阶段发送)控制读传输( 在握手阶段发送) 功能设备完成。长度数据分组 a c k 握手 功能设备出错s l m 握手s t a l l 握手 功能设备正忙n a k 握手 n a k 握手 3 中断处理操作 中断处理操作仅包括一个i n 处理，如图2 6 。 空闻 图2 6 中断传输 一旦收到了一个i n 令牌，一个功能设备就可以返回数据、n a k 或s t a l l 。如 果该端点没有新的中断信息可供返回，即没有中断等待处理，该功能设备就会在 数据阶段返回一个n a k 握手分组。如果一个被禁止了的端点被永远禁止并且需要 主机来进行软件干预，它就会使功能设备返回一个s t a l l 握手分组。如果一个中 断等待处理，那么该功能设备就会把中断信息作为一个数据分组返回。作为对接 收到的数据分组的响应，如果收到的主机没有错误，主机就会发送一个a c k 握手 分组，或者如果所收到的数据分组被破坏，主机就不会返回任何握手分组。 4 ，同步处理操作 i s o 处理操作有一个令牌和数据阶段，但没有握手阶段，如图2 7 。主机不 是发送一个i n 令牌，就是发送一个o u t 令牌，后面还跟有一个数据阶段。在这 一阶段端点( 对于i n 处理而言) 或主机( 对于o u t 处理而言) 将进行数据传输。 i s o 处理操作不支持一个握手阶段或重试功能。 三瞌：磕： 图2 7 同步传输 i s 0 处理操作不支持触发排序，所以数据p i d 总是d a t a 0 。分组接收器不会 检测数据p i d 。 1 4 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 2 4u $ b 设备结构 2 4 1 u s b 设备状态 一个u s b 设备具有几个可能的状态。其中一些设备状态u s b 设备和主机都可 以识别，而其它一些状态仅在u s 3 设备内部使用“。”。可见的设备状态有： 1 连接：个u s b 设备可以接入u s b ，也可以从u s b 上拆除。当一个u s b 设备 从u s b 上拆除后所处的状态，本规范并未定义。 2 上电：u s b 设备可以从一个外部电源或通过与其连接的集线器而从u s b 获得 电源供应。 3 缺省：在设备上电之后，直到它从总线上接收到了一个复位信号后，它才能 对任意总线处理操作做出响应。在设备收到一个复位信号后，设备可以用缺 省地址来对其进行寻址。 4 地址分配：当设备刚上电或复位后，所有的设备都使用缺省地址。主机在连 接或复位操作之后，会为每一个u s b 设备分配一个唯一的地址。当一个u s b 设备被挂起时，它会保留为其分配的地址。无论设备目前已被分配了一个唯 一的地址，还是使用缺省地址，它都能在其缺省管道对请求做出响应。 5 配置完成：在u s b 设备可以使用之前，必须对该设备进行配置。在设备看来， 配置就是向其配置寄存器内写入一个非零值。 6 挂起：为了节省电源，当设备在一个特定周期内没有观测到任何总线操作， 它就会自动进入挂起状态。当被挂起时，u s b 设备保留了包括其地址和配置 信息在内的任一个内部状态。当出现总线操作时，一个u s b 设备会退出挂起 状态。 2 4 2u s b 总线枚举 1 u s b 总线枚举过程 当一个u s b 设各接入u s b 或从u s b 上拆除时，主机使用一个称之为总线枚举 的过程来识别和管理必要的设备状态变化“。“。当一个u s b 设备接入后，将采取 下列动作： 1 ) 先在该u s b 设备所接入的集线器，通过一个其状态变化管道上的回应， 可以向主机报告该事件。这时，u s b 设备处于连接状态，而连接它的端 口则被禁用。 u s b 技术的研究及在交流电参数测试系统中的应用 2 ) 主机通过询问集线器来确定变化的真实性质。 3 ) 既然主机已经知道了新的设备所接入的端口，它就会向该端口发送一个 端口激活和复位命令。 4 ) 集线器将保留发往该端口的复位信号l o m s 。当复位信号释放后，被激活 的端口和集线器将向u s b 设备提供l o o m a 总线电流。现在u s b 设备就处 于上电状态。它的所有寄存器和状态都被重新设置了，而且它可以对缺 省地址做出响应。 5 ) 在为该u s b 设备分配了一个唯一的地址之前，利用缺省地址仍然可以访 问其缺省管道。主机通过读取该设备的描述符，来确定这一u s b 设备的 缺省管道实际可以使用的最大数据负载尺寸。 6 ) 主机向u s b 设备分配一个唯一的地址，使设备进入寻址状态。 7 ) 主机通过从0 至n 读取每一个配置，它可以从设备中读出配置信息。这 一过程可能需要几帧来完成。 8 ) 基于配置信息和如何来使用这一u s b 设备，主机可以向设备分配一个配 置值。这是设备就处于配置完成状态，并且在这一配置中的所有端点都 具有其描述的特征。现在u s b 设备就可以获得其配置描述符中所描述的 v b 。电流量。从设备的观点看，它已经为使用做好了准备。 当u s b 设备被拆除后，集线器也会向主机发送一个指示。拆除一个设备会使 该设备所接入的端口被禁用。一旦收到了拆除指示，主机会更新它的本地拓扑结 构信息。 2 u s b 总线的r e s e t ，s u s p e