（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的数据接收软件研究.pdf

t“a”s l l m a s t e r sd e g r e et h e s i s t h er e s e a r c ho fd a t ar e c e i v i n gs o f t w a r e ba s e do nl a b v i e w m a s t e rc a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： r e s e a r c hf i l e d ： s ur u i p r o f w a n gj i a h a n g i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n d i n s t r u m e n t s d a t ep r o c e s s i n g i n s t i t u t eo fe n g i n m i n gm e d m i c s ，c h i n a e a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n h a r b i n c h i n a m a y ，2 0 1 0 j j 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主国地震 屋工程左堂硒究压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：聋：邈钯 签字日期：丝生：! 竺：乡。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解生垦地震屋王程左堂班究压有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权主国地震屋王猩左堂硒宜压可以将 本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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 签字日期： 名：凼 签字日期：爰2 竺：堑! 弓b j 一 摘 要 摘要 数据采集是地震信息获取的重要环节，对地震研究意义重大。地 震数据采集一般涉及传感器技术、计算机技术、数据处理技术等；数 据处理又分为数据采集，数据传输、数据处理、数据分析、数据存储 等操作。其中数据采集设备和计算机之间的数据传输和通过计算机对 数据进行处理是重要环节。目前，在数据采集设备中广泛应用的传输 接口包括r s 2 3 2 接口、u s b 接口、p c i 接口、网络接口等。由于使用 的接口标准不同，不同仪器需要专门的上位机软件，这在多种仪器混 合使用情况下将大大增加操作人员负担和设备维护成本。 本文以目前数据采集设备中最常用到的r s 2 3 2 接口和u s b 接口 为例，提出能够兼容两种数据接口的基于l a b v i e w 软件的程序设计， 可在一定程度解决不同仪器与计算机连接时由于接口不统一而产生的 软件兼容问题，并可以减轻操作人员的操作负担。软件采用模块化设 计，便于增加对新接口的支持，可以很方便的添加新功能。 在目前常用的数据采集设备接口中，本文着重研究了r s 2 3 2 接口 和u s b 通用串行总线接口的原理和通信协议，并以此为例说明数据接 收流程。 在l a b v i e w 中有很多方法实现与仪器接口的对接，文章涉及虚 拟仪器软件构架v i s a 、可互换虚拟仪器驱动程序i v i 和通过动态链接 库与第三方硬件相连接，通过这些方法，可以比较容易的实现与大部 分仪器的通信。 l a b v l e w 作为目前流行的工业标准图形化编程工具，以其丰富的 函数资源、集成大量接口驱动程序、灵活的编程过程、友好的人机界 面为优势，在测量技术和仪器工程科学领域中得到非常广泛的应用。 使用l a b v l e w 可快速搭建数据采集处理系统平台，为编程人员节省 了大量了学习配置接口协议的时间和精力，从而将关注点放到测量结 果上。 关键词：数据采集：串行接口；u s b ；l a b v l e w a b s t r a ( ? r a b s t r a c t t h ee a r t h q u a k ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni si nt h es e i s m i cs t u d y i m p o r t a n tl i n k ，t h ee a r t h q u a k ei r i f e r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m sd e g r e eo f d e v e l o p m e n ti ss i g n i f i c a n tt o t h es e i s m i cs t u d y t h ee a r t h q u a k ed a t a a c q u i s i t i o n i n v o l v e st h es e n s o r t e c h n o l o g y , t h es i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , t h es i g n a l i n gt e c h n o l o g y ，t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n ds oo n ， i tm a yc a r r yo no p e r a t i o n sg a t h e r i n g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y z i n g ，m e m o r yt o t h em e s s a g ed a t aa n ds oo n d a t aa c q u i s i t i o n sc o m m u n i c a t i o nm o d eh a s m a n yk i n do fm a t u r et e c h n o l o g i e s ，i sw i d e l ya p p l i e di nt h es e i s m i c s u r v e i l l a n c ei n s t r u m e n t b e c a u s eu s e st h ei n t e f f a c es t a n d a r di sd i f f e r e n t ， e a c hi n s t r u m e n tn e e d st oh a v ec u s t o m m a d es p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m ，i sv e r yd i f f i c u l t l yc o m p a t i b l ew i t ho t h e ri n s t r u m e n t s ，t h i sw i l l i n c r e a s et h es o f t w a r ee v e nh a r d w a r ec o s t g r e a t l y i nm a n yk i n d so f i n s t r u m e n tm i xs e r v i c ec o n d i t i o n i np r e s e n tc o m m o n l yu s e ds e i s m i ca p p a r a t u sc o n n e c t i o n ，t h i sa r t i c l e s t r e s s e di n t r o d u c e dt h es e r i a li n t e r f a c ea n dt h eu s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s 。s m o v e m e n tp r i n c i p l e ，a n dt a k et h i sa se x a m p l ee x p l a n a t i o nd a t ar e c e i v e f l o w h a v em a n ym e t h o d si nl a b v i e wt or e a l i z ew i t hi n s t r u m e n t c o n n e c t i o nd o c k i n g 。t h ea r t i c l ei n v o l v e si nv i r t u a ii n s t r u m e n ts o f t w a r e a r c h i t e c t u r ev i s a i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n td r i v e r si v ia n d c o n n e c t e dt h et h i r dp a r t ys o f t w a r ec o n n e c t st h r o u g ht h ed y n a m i cl i n k s t o r e h o u s e ，t h r o u g h t h e s e m e t h o d s ，t h em a jo r i t y o fi n s t r u m e n t s c o r r e s p o n d e n c ec a i le a s i e r l a b v i e wt a k e st h ep r e s e n tp o p u l a ri n d u s t r i a ls t a n d a r dpr e s en ti n f i g u r e sa n dd i a g r a m sp r o g r a m m i n gt o o l ，b yi t sr i c hf u n c t i o nr e s o u r c e s ， i n t e g r a t e st h e m a s s i v ec o n n e c t i o nd r i v e r , t h en i m b l ep r o g r a m m i n g p r o c e s s ，t h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c ei s t h es u p e r i o r i t y , o b t a i n st h ev e r yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h em e a s u r i n gt e c h n i q u ea n di n 也ei n s t r u m e n te n g i n e e r i n gs c i e n c ed o m a i n ，o b t a i n st h ev e r yw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o ni nt h em e a s u r i n gt e c h n i q u ea n di nt h ei n s t r u m e n te n g i n e e r i n g s c i e n c ed o m a i n u s e sl a b v i e wt ob ep o s s i b l et ob u i l dt h ed a t a a c q u i s i t i o np r o c e s s i n gs y s t e mp l a t f o r mf a s t ，h a ss a v e dt h em a s s i v es t u d y d i s p o s i t i o n c o n n e c t i o n a g r e e m e n t t i m ea n dt h e e n e r g y f o rt h e p r o g r a m m e r s ，w i l l t h u s p a y a t t e n t i o nt ot h e s p o t t o p u t t ot h e h i a b s t r a c t m e a s u r e m e n tr e s u l t t h i sa r t i c l ei nt h er e s e a r c hs e i s m i c s i g n a lg a t h e r i n gs y s t e m 。s f o u n d a t i o n ，t h ec o n t r a s tp r e s e n tp o p u l a ri n s t r u m e n tc o n n e c t i o n ，p r o p o s e s a n g e n e r a ls o l u t i o n ，m a yw h e nt h e c e r t a i ne x t e n ts o l u t i o nd i f f e r e n t i n s t r u m e n ta n dt h ec o m p u t e rc o n n e c tn o tu n i f i e dh a st h es o f t w a r e c o m p a t i b l eq u e s t i o na s ar e s u l to ft h ec o n n e c t i o n ，t h u sr e d u c e st h e e a r t h q u a k et oo b s e r v ep e r s o n n e l 。so p e r a t i o nt ob e a ra n dt or e d u c e s o f t w a r e sp u r c h a s ec o s t k e y w o r d s ：d a t ag a t h e ，s e r i a li n t e r f a c e ，u s b ，l a b v i e w i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 1 1 课题研究的目的l 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 课题研究的主要内容3 1 3 论文的组织结构3 第二章串行接口的数据接收5 2 1 串行通信与接口5 2 1 1 串行接口的同步方式5 2 1 2 传输速率6 2 1 3 通信工作方式6 2 1 4 校验方式7 2 1 5 物理层标准8 2 2 通用串行总线u s b 1 0 2 2 1u s b 结构10 2 2 2u s b 系统分层l l 2 2 3u s b 数据传输1 4 2 2 4u s b 数据包格式1 6 2 2 5u s b 事务处理l8 2 2 6u s b 设备配置19 第三章接口芯片介绍2 1 3 1f t 2 4 5 b m 芯片简介21 3 2 内部功能模块2 2 3 - 3 引脚说明。2 4 3 5f t 2 4 5 b m 读写控制2 5 第四章软件实现2 7 4 1 虚拟仪器软件架构( v i s a ) 。2 7 4 1 1r s 2 3 2 的v i s a 控制2 7 4 1 2u s b 的v i s a 控制2 8 v 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 4 2 通过动态链接库与第三方硬件连接2 9 4 2 1r s 2 3 2 的d l l 调用2 9 4 2 2u s b 的d l l 调用2 9 4 3 程序实现3 3 4 3 1 系统功能介绍3 3 4 3 2 系统编程：3 5 第五章结语4 5 参考文献4 7 致谢4 9 作者简介5l -1j一 第一章绪论 i h i i i i i i i 暑暑i i 宣i i i i 薯i 暑置宣i i i i 宣i i i i i 葺i 宣i i i i i i 宣i 葺i 置暑暑i i 置置i i i i 昌i i 皇i i i i i 置置 第一章绪论 1 1 课题来源 地震作为重大破坏性自然灾害对人类的生活产生了巨大的影响， 从一千多年前的东汉时期我国科学家张衡发明候风地动仪起，人类开 始了漫长的地震观测历程。近代的科学观测则是从十九世纪开始的。 一百多年来，随着科学技术的发展，新兴科技不断应用于地震观测领 域中，地震观测设备从最初简单的机械式针式记录发展到现在已具备 智能化、自动化的地震观测综合系统；地震观测台也由最初的单台观 测演变到了大规模观测台网和观测台阵；观测范围有了明显的扩大， 观测的准确性也得到了极大的提高。【1 6 j 近几十年来，计算机技术、电子通讯技术以及电子制造技术发展 十分迅速，这使得地震仪器的设计和制造水平不断提高。同时，先进 的计算机处理技术也被应用其中。国内外地震观测技术发展大大提高， 目前已根据l i s s ( l i v ei n t e r n e ts e i s m i cs e r v e r ) 技术，研制出可采集 2 4 位、甚至更高位数据的地震观测仪器。 我国从9 0 年代起开始大规模地震观测台网建设工作，鼓励地震研 发机构设计较为先进的数字化地震仪器。汶7 1 i 地震后，国家更加重视 地震观测设备研制和地震观测网络建设，希望在地震发生时能够获取 较多的地震观测数据，为地震研究提供更多可靠数据资料，加速推进 地震预警、预报研究工作。 本文根据地震观测需要，介绍采用l a b v i e w 编写基于r s 2 3 2 和 u s b 接口的数据采集处理软件，并着重介绍u s b 接口的实现方式。该 软件能够实现数据接收、存储等数据处理工作，并能够对下位机进行 参数配置。进一步的研究目标是使软件支持更多的接1 3 协议，方便不 同接口的仪器设备与计算机的连接，简化仪器操作，减轻地震观测人 员操作负担，降低买软件的购买成本，并可在一定程度上简化仪器设 置配置流程。 1 1 1 课题研究的目的 数据采集是工业应用上的一个重要领域，它主要为信息处理提供 前端的信号采集工作，数据采集一般由传感器、信号处理技术、信号 传输技术、计算机控制技术组成，可以对信息数据进行采集、处理、 分析、存储等操作，具有普遍地应用性。【1 6 】 数据采集的通信方式十分重要，现今主要的数据通信方式有u s b 、 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i s a 接口、p c i 接口和基于t c p i p 协议或f t p 协议 的网络接口等。通过这些接口可以满足不同需求下与计算机的数据连 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 接及通信。上述接口技术成熟，应用广泛。用于地震监测仪器中的主 要是r s 2 3 2 接口，随着技术的发展，u s b 接口和网络接口也开始用于 地震仪器中。地震数据采集完成上传到计算机后，经过格式转换，上 位机的数据处理软件可以通用。但由于不同仪器采用的接口不同，需 要使用各自配套的控制软件，在多种仪器混合使用情况下大大增加了 操作的复杂程度。因此，本文尝试将不同接口传输方式整合到一个软 件中，实现对采用不同接口的仪器进行统一控制。 l a b v i e w 由美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司开发，是一种基 于计算机的虚拟仪器开发平台，以其图形化编程理念引起工程业界的 广泛关注，它具有功能强大、编程灵活、人机界面友好的特点，在测 量技术和仪器工程科学领域中得到了个非常广泛的应用。它内置信号 采集、测量分析与数据显示功能，摈弃了传统开发工具的复杂性，大 大节省了开发成本，缩短开发周期，降低开发难度。其内部集成的丰 富的驱动程序，可与任何n i 提供的硬件相连，并可通过通用的驱动程 序和接口，例如v i s a 、i v i 、o p c 、a c t i v e x 和d l l 等，l a b v i e w 几 乎能与任何厂商甚至自制的硬件通信。其具体优势体现在以下几个方 面： 1 提供了丰富的图形控件，采用图形化编程方法，相比传统的文 本编程大大降低了复杂程度； 2 内建编译器在用户编写程序的同时在后台进行编译，可实时指 出用户的语法错误； 3 采用数据流模型，实现了自动的多线程，可以充分利用处理器 ( 多处理器并行处理) 的处理能力； 4 通过d l l 、c i n 节点、a c t i v e x 、n e t 或m a t l a b 脚本节点 等技术，可实现与其它编程语言混合编程： 5 通过应用程序生成器可生成e x e 、d l l 或安装包； 6 内建6 0 0 多个分析函数，容易实现数据分析和信号处理。 因此，使用该软件编程可以方便地实现计算机与主流接口的对接 和通信，满足使用不同接口的仪器需求。 1 1 2 课题研究的意义 地震信息采集系统集传感器、信号处理模块、数据传输、计算机 等技术于一体，由于科学技术不断推陈出新并应用于实际仪器设计中， 采集系统也随之更新换代，适用于不同场合的数据采集板进一步细化， 设计者由于侧重点不同采用了并不兼容的软硬件系统，这在多台仪器 互联的观测网络中造成了极大地不便。因此，采用能够兼容不同接口 的软件，为仪器数据传输和控制提供统一操作方式是具有实用意义的。 第一章绪论 1 2 课题研究的主要内容 本文采用l a b v i e w 方法编程，利用其丰富的接口资源和驱动程 序，实现同一数据处理软件对不同仪器的对接。 在目前流行的仪器接口中，侧重介绍了串行接口和u s b 接口的运 行原理，包括串行接口的同步方式、传输速率、通信工作方式、校验 方式、物理层标准等内容，以及u s b 接口的结构、系统分层、数据传 输、事务处理、设备检测等内容，为后续的应用提供基础。 对串口和u s b 总线接口的转换芯片作了概括介绍。包括芯片简 介、模块功能、引脚定义，数据时序等内容，对于u s b 接口转换芯片 f t 2 4 5 b m 来说，其内置u s b 通讯规范，使用户使用更为方便，缩短 开发周期。 在l a b v i e w 中有很多方法实现与仪器接口的对接，文章介绍了 虚拟仪器软件构架v i s a ，并通过动态链接库与第三方硬件相连接实现 上位机和下位机通过r s 2 3 2 接口、u s b 接口的通讯。 l a b v i e w 作为目前流行的工业标准图形化编程工具，以其丰富的 函数资源、集成大量接口驱动程序、灵活的编程过程、友好的人机界 面为优势，在测量技术和仪器工程科学领域中得到非常广泛的应用。 使用l a b v i e w 可快速搭建数据采集处理系统平台，为编程人员节省 了大量了学习配置接口协议的时间和精力，从而将关注点放到分析测 量结果上。 1 3 论文的组织结构 论文共分为五个章节，主要结构为： 第一章绪论：介绍论文研究课题来源。目前市场上的地震仪器采 用的接口各种各样，包括r s 2 3 2 接口、u s b 接口、网络接口等，对应 上位机的处理软件也有很多种。本文中介绍采用l a b v i e w 编写基于 r s 2 3 2 接口和u s b 接口数据采集软件，软件采用分层结构，不但能够 在本项目中应用，通过接口协议的修改，可以很容易地应用到采用相 同接口的其他地震仪器上，实现对采用以上接口的仪器的控制。解决 不同仪器操作软件种类繁多，操作配置过程复杂的问题。 第二章串行接口的数据接收：介绍r s 2 3 2 接口和u s b 接口的数 据接收特点。根据分析重点介绍u s b 接口。, l a b v i e w 程序中集成了 许多数据采集卡的驱动，并且提供目前常见的通讯协议控件，其丰富 的接口资源，可方便地实现与各类接口设备的通讯。 第三章u s b 接口芯片介绍：介绍f m 2 4 5 b m 芯片的基本状况，结 合u s b 数据传输特点讲解数据接收流程。 第四章软件实现：采用l a b v i e w 编程，介绍基于l a b v i e w 接 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 口的通信实现方法，通过调用d l l 动态链接库的方法完成r s 2 3 2 接 口和u s b 接口的数据通信编程。 第五章结语：对全文进行总结并提出展望。 4 第二章串行接口的数据接收 5 1 1 1i ni i = i 宣 第二章串行接口的数据接收 本章研究了串行接口r s 2 3 2 和通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 的通信协议、原理及物理结构，为下文涉及的针对接口的软件编 程提供理论基础。 2 1 串行通信与接口 数据代码的所有位按照一定顺序串行排列成数据流，在一条线缆 上逐位传输的方式称为串行传输，如图2 1 所示： 【! 同! f i l l 同! 一叮叫。 d 峨 d a t a 目 源 n 门门九nn 八几 c l kc l k标 g n lg n d 图2 - 1 串行数据传输 2 1 1 串行接口的同步方式 串行传输不设握手信号线情况下，其同步方式有同步传输和异步 传输两种。同步传输要求发送和接收时钟同步，具有较高的传输效率 和速率；异步传输收发时钟是异步的。 1 同步传输 同步传输要求收发双方时钟完全对应来保持位同步，字符之间没 有空隙和插入位，在严格位同步的基础上保证字符同步，在一帧前后 有“帧起始同步字符”和“帧终止字符 来实现帧同步，帧与帧之间 则是空白。 时序如图2 2 所示。 - _ 一传输豹- t d 甄错一 2 异步传输 i 卜一城内客- 一 图2 - 2 同步传输时序图 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 异步传输在每个字符前后分别加上起始位“0 和停止位“l 一来 实现字符同步，传输时每一位所占的时间长度由收发双方编程约定， 保持不变，以此实现位同步，帧与帧之间传送时间不定，靠发送特殊 字符来表示一帧的开始及结束，实现帧同步。 时序如图2 3 所示： tr , t 字符 一 第c n + 1i t 字符 i _ 一s 一8 位数错位 - i 11 d1 1 1 01 i 01 1 1 01 1 01 i 01 1 1 01 i 0ii 01 1 1 0i 111101 ，0 1 ，0 1 ，o1 ，d i 空闷掣- 起 十十；耷偶；停； 奎嗣位 一l 瞿但i 位一位i 嚣i 健d - ； 图2 - 3 异步传输时序图 异步传输无需传输收发定时信号，实现简单，但是由于其不能严 格同步，故在传输速率较快的情况下会因收发时钟差异累积而产生误 差，因此常用于低速数据传输情况下。 2 1 2 传输速率 传输速率指在单位时间内传送的信息量，一般用每秒传送的比特 第二章串行接口的数据接收 两个通信终端都可以发送或者接收数据，且可以同时进行。因此 每个通讯终端都要具备发送和接收两条数据传输线。 2 1 4 校验方式 数据代码在传输、存储和处理过程中，衰变或干扰可能引发突变， 产生传输错误。若不能及时识别、纠正将产生无法预料的后果。 传输错误分为独立型和突发型。随机差错为独立型，各个差错之 间不存在关联性，可通过改进传输设备和传输线路来改善；突发型差 错通常由外界强干扰引起，可能产生成片差错，严重时通过数据校验 也无法纠错，需要发送方重新传输数据。 对数据按照一定的算法进行变换，形成含有冗余度的校验码，适 当增加数据长度，可在一定范围内检测甚至纠正传输错误。数据冗余 度越大，校验码的检错、纠错能力越强。但冗余度增大会占用更多的 存储空间，使传输、处理时间增加，系统效率降低。 校验码有很多种，如奇偶校验码、循环冗余校验码( c r c ) 、恒比 码、群计数码、海明码等等。前两种较为常用。 1 奇偶校验 奇偶校验只能检测出数据传输中的奇数个错误，无法检测偶数个 错误，且没有纠错能力。 其编码规则为：将数据代码分组，在各组数据后加一位数据作为 校验位，使得包括校验位在内的数据代码中“l 力的个数恒定，为偶数 个则称偶校验，为奇数个则称奇校验。 设d 0 一d n 1 是同一组内n 位数据，b n 是附加的校验位，则 偶校验：d n = d 0 od l 国o d m 1 ； 奇校验：d n = d 0ob lo od m lo1 校验时，有： 偶校验：d ood lo od m 1od m - - 0 奇校验：d ood lo od m 1od m - - - - l 否则表示传输出错。 2 循环冗余检验c r c c r c 码可以满足检错和纠错的双重要求，但其算法复杂。目前c r c 算法已由硬件电路实现，速度远高于软件计算，因此得到了广泛应用。 c r c 码又称( n ，k ) 循环码，在此编码方法中，数据代码和校验码合 起来共n 位，前k 位为数据位，后( n k ) = r 位为冗余位，冗余位是原数 据代码模2 除某个r 位二进制数得到的余数。对( n ，k ) 循环码，有且只 有一个r 位二进制数g ，满足： ( 1 ) ( n ，k ) 循环码中任一合法码字都是g 的整数倍，即任一合法码 字模2 除g 的余数都为0 ； 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 ( 2 ) 任一非法的( n ，k ) 循环码码字模2 除g 的余数都不为0 ； ( 3 ) 合法的( n ，k ) 循环码右移一位后仍为合法的循环码。 g 所对应的多项式称为生成多项式g ( x ) ，即把码字中码元当作多项 式的系数( 取值为0 或1 ) ，码元所处的位置( 自右向左) 作为对应项 的幂。 c r c 校验过程为：将发送帧看成是一串的二进制位流，在发送的 同时连续模2 除一个二进制数( 即生成多项式) ，数据位发送完毕再接 着发送模2 相除所得到的余数：接收方将接收到的二进制位流( 包括 余数) 模2 相除同一个生成多项式，若能除尽则认为传输无误，若除 不尽则表示出错。 模2 加减即按位加减，不考虑进位和借位；模2 乘除是在模2 加 减基础上进行乘除运算。 c r c 码查错功能较强，能查出全部奇数个错误和全部偶数个错误， 并且可以查出全部少于或等于冗余位r 的突发性错误。 3 数据传输质量 常用误码率来表示数据传输的质量，误码率为接受数据中出现差 错的比特数与传输比特数总量之比，是个统计平均值。 2 1 5 物理层标准 为了使不同厂家生产的串行接口设备实现互联，国际标准化组织 i s o 、电器和电子工程师协会i e e e 、国际电报咨询委员会c c i t t 、美 国电子工业协会e i a 均制定了相应的标准来统一物理层的操作，以建 立通过电话网和公用数据网进行数据传输的互联。最广泛使用的是由 e i a 制定的r s 2 3 2 标准。 r s 2 3 2 c 规定了接口接插件( 插头、插座) 的规格、尺寸、针孔 的数量与排列等机械特性如图2 - 4 所示。 r s 2 3 2 规定了连线的电气特性：信号电平采用负逻辑，即逻辑“1 静 为3 v - 一1 5 v ，逻辑“o 为+ 3 v + 1 5 v ；使用分立元件实现不平衡双 流接口，最大工作速率为2 0 k b p s ，采用i s 0 2 1 1 0 规定的2 5 芯连接器。 当采用电容性( 约1 5 0 p f m ) 多芯电缆时，最大缆长不超过1 5 m 。 r s 2 3 2 功能特性规定每条接口线有一个功能，以英文字母组合命 名。 r s 2 3 2 规程特性定义了接口控制信号线上电平升降的动作序列， 它们对应了接口两侧物理连接的建立、维持、拆除以及比特流的传送 情况。 r s 2 3 2 标准规定了串行通信时数据终端设备d t e ( 例如计算机) 和数据电路终接设备d c e ( 如m o d e m ) 之间的接口信号。 保护j l i t d 发送融 i 詈【0 】 r d 接收数倨c i 】 只- s 亩求发蓝【口】。 c t s 允许发送c i ) d r 调制粕器准备鲟c 1 ) - s g 信号l i 面敦被持翻【il ” 留着明试用 ： 未定义 面辅助信道载教幢朗【1 1 荫忌辅助信道允许发送【1 ) - 丽载最情两c ij r d 接收数据c l 】 t d 发送数据( 口】 越据终端准备埒酽雨【口】 s g 信号j l o 一1g o - 0 7 a a 2 0 0 。 0 9 2 1d 2 2 0 口 0 1 孑4 旷 a l 孑 辅助信道发莲数倨t x d 【0 1 发莲时钟定时胁冲r , i 】 辅助信违捡蔓鼓错r x dc | j 接收信号定时胁冲c 1 ) 未丘义 拍助信道请求发莲再霭( 口j 数据终端准备好雨【0 ) 信号质骨椅翻【i l 摅铃指示雨【1 ) - 数精信号逮事盘捧c 0 1 。发生信号定时赫冲【0 l 未定叟 u ) _ u 【a ) 2 5 针盖捡器 ”旦塑调 i 椭器准备埒c i j ”r t s 萌求崔i 盖( o i “c t s 允许发【1 ) “掘j l 指示雨【i ) c b ) 9 针盖接器 图2 - 4r 8 2 3 2 连接器示意图 鼬觚弛吨 ，1l 1li ，2 a 4 5 8 d d o d d 口 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 r s 2 3 2 共定义2 5 条线，常用其中9 条，作用描述如下： 1 两条地线：保护地和s g 信号地。 2 数据接收和发送。 t d ：发送数据线，源设备通过t d 将数据发送至数据终端： r d ：接受数据线，源设备通过r d 接受数据终端传输的数据代码； 二者各备有一条辅助线。 3 联络信号线。 d t r ：数据终端准备好，表示终端可用； d s r ：数据设备准备好，表示设备可用： r t s ：请求发送； c t s ：允许发送； c d 载波检测，当数据设备收到数据终端的载波信号时，告知 数据终端准备接收的返回信号； r i ：振铃指示，当数据设备收到数据终端的振铃信号时，告知数 据终端准备接收的返回信号。 c t s 、c d 、r t s 设有辅助信号线。 一条信号质量检测线和一条信号数据速率选择线也用于控制。 4 另外还留有3 条定时线、2 条测试线、3 条保留，可用于2 0 m a 电流环方式传输。 2 2 通用串行总线u s b 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) 在传统计算机组织结构 上引入了网络技术，能对不同的系统和部件提供不同的功能，具有广 泛的应用性。 2 2 1u s b 结构 u s b 系统分为u s b 主机、u s b 互联、u s b 设备三部分。u s b 主 机是u s b 系统的核心，一般包括客户软件、u s b 系统软件和u s b 总 线接口，位于系统的最上端：u s b 互联指u s b 主机与u s b 设备之间 进行连接及通信的信道；u s b 设备有u s b 总线接口h u b 和u s b 功能 单元两类，位于系统的最下端。u s b 系统组成结构如图2 5 所示： 1 u s b 主机 u s b 主机是u s b 系统的核心，负责调度u s b 设备的全部工作。 任何u s b 系统中，只有一个主机。主机系统的u s b 接口称为主机控 制器h c ( h o s tc o n t r o l l e r ) ，由硬件和软件综合实现之。 主机控制器h c 位于计算机上，计算机通过访问它的根集线器为 系统提供多个u s b 接入点( 最多为1 2 7 个) ，并初试化u s b 主机。 u s b 主机包括客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口三部分。 第二章 串行接口的致据擐收 客户软件用来负责u s b 设备连接、数据传输，可由使用者自主编 写。 u s b 系统软件是u s b 总线驱动程序，用来对u s b 设备进行配置 和管理。 u s b 总线接口为体统提供设备接入点，包括主控制器和根集线器。 主机互联 u s b 设备 t ： 、l 一一一。 一，l 功能单元 u s b 数 i 甘7 ”_ 、i 、t1 u l in + 一m l m l m l ma m i mi ii i 一- t 7 、 j ： 竹c r 五毒神桂_ ，：k u s b 逻特设备 u s b 逻 - 月f ，_ r 一，v 一卉l 一- + 一t ，。x 1 1 址r 憧i ， ii it t r 口x 址憧n 一_ i u s b 总线接口 u s b 信 l 一、 i 一。一一 l _ l _ l 实际通信流 一：， 逻辑通信流 图2 5u s b 系统的组成 传输层 层 层 2 u s b 互联 u s b 互联指设备和主机间进行连接及其通信方式，包括总线拓扑 结构、内部层次联系及数据流模型。 从物理连接上看，u s b 是有层次的星型布局，呈树型结构，每个 集线器是星型的中心，和设备实现点对点连接，设备通过集线器分层 连接到主机上。由于供电电流的限制，u s b 的拓扑深度不超过5 层。 3 u s b 设备 u s b 设备包括集线器h u b 和功能设备。前者为系统提供u s b 设备 接入点，后者用来实现除数据传输外u s b 的其它特定功能。 2 2 2u s b 系统分层 u s b 主机的三个组成部分包括客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口，它们在逻辑上可对应三个分层：u s b 数据传输、u s b 逻辑 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 i 置置蕾_ 萱萱_ _ _ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 皇葺宣薯叠i | _ 置萱i i 层、u s b 信号层，对应关系如图2 5 所示，图中右侧指明了其对应关 系。 1 u s b 数据传输层 u s b 数据传输层根据客户软件的要求控制u s b 设备完成不同的操 作。在数据传输过程中，主机在数据传输层上向u s b 设备层发送数据 传输指令，包括数据传输格式及条件。 u s b 数据传输层可实现4 种数据传输类型，适用于不同的应用场 合，分别为： ( 1 ) 控制传输 控制传输是突发的、非周期性的，由主机客户软件发起，其传输 时间不能超过一帧的1 0 时间长度，并且优先权较高，具有严格的检 错和纠错能力，因此主要用于传送控制命令和状态查询，为u s b 设备 初始状态发送配置信息。控制传送都是双向的，并且有格式，因此只 在消息信道上传输。 ( 2 ) 实时传输 实时传送速率恒定，对时间同步性的妻求高于数据准确率，为了 保证准确定时在传输过程中检测出错误也不会中途停止，传送失败 不会重传。只有高速设备才可以使用这种传输方式，一般用于音频、 视频等传输方式。同步传送的数据不具有u s b 定义的格式，因此使用 流通道，是单方向的。 ( 3 ) 中断传输 中断传送用于少量分散的不可预测的数据传输，如键盘、鼠标、 操纵杆等。高速设备和低速设备都可以使用中断传送。中断传输非硬 件分配的中断向量，而采用软件轮询查询的方法以节约中断向量资源， 传输中设备可以对服务周期提出要求，高速设备的要求范围从l m s 到 2 5 5 m s ，低速设备从1 0 m s