（通信与信息系统专业论文）基于dsp和usb20的多路数据采集及处理系统.pdf

上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集厦处理系统 摘要 随着计算机技术的发展，数据采集系统可以通过a ，d 转换把模拟信号转换成 数字信号，并且可以方便的实现数字信号存储、处理及再现，因此该系统得以越 来越广泛的应用。针对目前实时存盘采集系统存在体积大、设计复杂、成本较高 等不足之处，本课题设计了一种基于高速串行总线( u s b ) 和数字信号处理器 ( d s p ) 的多路数据采集系统，具有成本较低、集成度较高等特点，同时具有一定 数字处理能力。 本论文的主要工作和成果包括： 第一考虑至i j u s b 接口的通用性和高速特点，选用了u s b 接口作为上位机的 接口，数据采集部分选用了d s p 作为核心处理器，在设计时充分考虑了u s b 接 口主机端与设备端的软件以及d s p 与u s b 的无缝连接。 第二给出了多路a d c 数据处理和转发以及上位机对整个系统进行监控的 实现方法。能方便得选择采集一路或高达16 路的模拟电压信号。 第三给出了整个电路的实现方案，设计了系统的硬件，包括：u s b 与f 2 8 1 2 的直接连接设计，系统电源设计，外部r a m 扩展及预处理电路设计等。 第四给出了系统的软件实现，包括：u s b 的控制软件、d s p 软件设计、 w i n d o w s 下上位机程序设计。在u s b 设备端的设计中采用了s l a v ef i f o 接口 与d s p 通信。u s b 接口类似于d s p 与p c 之间的高速。桥”，使d s p 能高速通过u s b 接口与p c 通信，而不需要u s b 设备端固件干预，从而使u s b 2 0 接口传输带宽 得到充分发挥。d s p 软件设计中介绍了a d c 模块的配置，数据采集和转发，命 令控制的实现方法，状态信息的反馈等。在上位机软件部分，介绍了驱动程序的 开发，设计了上位机读取数据和控制系统。 第五对整个系统进行了性能测试和分析。 该系统既能较好地满足单通道高采样率的要求，又能可选择地对多路信号进 行采集，具有较强的灵活性。同时本系统也支持即插即用，使用相当方便。 关键字：d s pu s b 2 0 数据采集t m s 3 2 0 f 2 8 12 e z - u s bf x 2 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 a b s t r a c t w r 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 , d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c a nc o n v e r ta n a l o gs i g n a i i n t od i g i t a is i g n a it h r o u g ha d a n dc a nf a c i l i t a t et h e r e a l i z a t i o no f d i g i t a ls i g n a ls t o r a g e ，p r o c e s s i n g a n dr e p r o d u c t i o n ，s ot h i s s y s t e mh a sb e e nm u c hm o r ew i d e l yu s e d a i m e da tt h er e a l - t i m ei n v e n t o r y a c q u i s i t i o ns y s t e mh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s 。s u c ha sl a r g ei ns i z e ，d e s i g n c o m p l e x i t y , h i g h e rc o s t s ，w ed e s i g nam u l t i - c h a n n e id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， w h i c hi sb a s e do nh i g h s p e e ds e r i a ib u sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a n dh a s l o wc o s ta n dh i g hi n t e g r a t i o n 。m e a n w h i l eh a sd i g i t a lp r o c e s s i n gc a p a c i t y t h em a i nt a s ka n da c h i e v e m e n ti nt h i st h e s i si n c l u d e ： f i r s t c o n s i d e r i n gt h eu n i v e r s a ia n dh i g h s p e e df e a t u r eo ft h eu s b i n t e r f a c e 。w es e l e c tu s bi n t e r f a c aa st h ei n t e r f a c eo ft h eh o s t 。s e l e c td s pa s t h ec o r ep r o c e s s o ri nt h ed a t aa c q u i s i t i o n i nt h ed e s i g nw ef u i l ys t u d yt h e s o f t w a r eb e t w e e nc o r ea n dt h ei n s t r u m e n to ft h eu s bi n t e r f a c e s e a m l e s si i n k b e t w e e nd s pa n du s b s e c o n d g i v et h em e t h o dt h a tm u l t i - c h a n n e ia d cd a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s m i t t i n ga n dh o s tm o n i t o ra l it h es y s t e m w ec a ns e l e c tt oc o l l e c to n ew a y o ru pt o16 一w a ya n a l o gv o l t a g es i g n a l sc o n v e n i e n t l y t h i r d g i v et h ei m p l i c a t i o no fa l it h ec i r c u i ta n dd e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h e s y s t e m i n c l u d e ：t h ed e s i g no fd i r e c ti i n kb e t w e e nu s ba n df 2 8 12 ，t h ed e s i g n o fs y s t e mp o w er ，t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h ee x t e r n a lr a me x p a n s i o n a n dp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t f o u r t h g i v et h es o f t w a r ei m p l i c a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d e ：u s bc o n t r o i s o f t w a r e ，d s ps o f t w a r ed e s i g n ，w i n d o w sp cp r o g r a md e s i g n i nt h ed e s i g n o fu s bi n s t r u m e n t 。w eu s es l a v ef i f oi n t e r f a c et oc o m m u n i c a t ew i t hd s p ， u s bi n t e r f a c ei st h eh i g h s p e e di i n kb e t w e e nd s pa n dp c t om a k ed s p c o m m u n i c a t ew i t hp ct h r o u g hu s bi n t e r f a c ei nh i g h s p e e d i td o s en o tn e e d t h ef i r m w a r ei n t e r f a c ao fu s bi n s t r u m e n t t om a k eu s b2 0i n t e r f a c a t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hf u i l yu s e i nt h ed e s i g no ft h ed s ps o f t w a r e 。w e i n t r o d u c et h ec o n f i g u r a t i o no fa d cm o d u l e ，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 n 。 t h ei m p l e t i o no fh o s tc o n t r 0 1 t h ef e e d b a c ko fs t a t ei n f o r m a t i o na n ds oo n 1 n t h eh o s ts o f t w a r e w ed e s i g nh o s tr e a dd a t aa n dc o n t r o is y s t e m f m t e s ta n da n a l y s i sa l it h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h i ss y s t e mc a nn o to n l ys a t i s f yt h ed e m a n do fs i n g l ec h a n n e ia n dh i g h s a m p l i n gr a t e ，b u ta l s oa c q u i r em u l t i s i g n a l ss e l e c t i v e l y i th a ss t r o n gf l e x i b i l i t y a tt h es a m et i m et h i ss y s t e ms u p p o r tp l u ga n dp l a y , 8 0i ti su s e dv e r y c o n v e n i e n t k e y w o r d s ：d s pu s b 2 0t m $ 3 2 0 f 2 8 12f ) ( 2d a t aa c q u i s i t l 0 n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特另t l j u 以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：7 阵日期：j 纽4 “ 论文使用授权性声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 字：砗字：辩日期趔 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 1 1 选题背景 第一章前言 随着计算机技术飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到广泛应用。在 工业生产过程中，数据采集系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记 录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集 系统可以获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学 奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时， 工作效率就越高，取得的经济效益就越大【1 】。 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识 别的数字信号，送入计算机，将计算得到的数据进行显示、打印或存储，以便实 现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用 来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件 下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的 要求。 在实际应用中，有一些数据采集过程要求有长时间、高精度、多路的数据吞 吐能力，要求数据能够实时采集实时存盘。针对这种数据采集要求，以往的用采 集卡片上r a m 存储数据，然后通过接口非实时地把r a m 里的数据传入上位机进 行数据显示和永久存储的方案，已越来越不能满足要求。解决此类数据采集问题， 必须从降低数据传输量和利用更高速数据传输接口两方面来着手实现。同时用户 对系统的通用性、方便性也提出了更高的要求 2 - 4 。 1 , 2 关键技术的发展和特点 最初推出通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是为了开发一种双向 的、廉价的支持中速传输的外设总线【5 】。1 9 9 4 年m i c r o s o f t 。c o m p a q ，d i g i t a l i s m ， n e c 。n o r t h - 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 1 1 1 1 推出了u s b o 7 规范，于1 9 9 5 4 1 3 推出了u s b o 9 规范，于1 9 9 5 8 2 5 推出u s b o 9 9 规范，于1 9 11 3 推出了u s b l 0 规范，于 1 9 9 8 8 2 3 推出了u s b i 1 规范。于1 9 9 9 2 2 3 推出u s b 2 0 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 i 1 和u s b 2 0 是目前推出的计算机外设 普遍采用的标准唧。 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。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，是非赢利的规范。而对p c 机用户来说，u s b 实现了真正的即 插即用和热插拔。目前在统一的u s b 接口上实现了中低速外设的连接，例如鼠标、 键盘、显示器、调制解调器等。u s b 2 0 通信速率达至l j t 4 8 0 m b p s ，因此可用于 更多新型高速外设，例如数字电视接收器、数码录相机等要求高速传输的设备， 但是u s b 接口在很长一段时间内却没有在工业测量测试方面得到应用。u s b 本 身就是一种工业级总线标准，其可靠性等级可以很好地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，可容易的实现完全的光电隔离， 系统的改变和扩展都很容易和方便。特别是u s b 2 0 规范的成熟，可满足高速传 输。以前的高速数据采集多用周边元件扩展接口( p c i ) 。但是p c i 接口可移动性差， 不方便工程现场作业。因此，u s b 总线在工业测试测量方面会逐渐被应用i s 。 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器( t o 公司于1 9 8 2 年推出的第一代产 品：t m $ 3 2 0 1 0 。经过2 0 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 集成度和运算速度也不断提高，譬如：t | 公司的t m s 3 2 0 c 8 0 有4 个3 2 位的d s p 。1 个3 2 位的r i s c 主处理器、一个传输控制 器、2 个视频控制器。生产d s p 器件的公司也不断壮大，比较大的生产商有：t i 、 l u c e n t ，an a l o gd e v i c e ，m o t o r o l a 1 s 1 d s p 的应用越来越广，譬如以下几个方面： 经典算法：f f t ，f i r i i r 、相关等： 现代算法：a r 。ar m a 、卡尔曼滤波、自适应滤波等： 仪器、仪表：医疗、数字滤波、谱分析等： d s p 可能朝以下几个方面发展： d s p 追求更高速度、更小封装和更低功耗： 技术专用化： 系统集成化： 1 3 课题的研究目标 本课题旨在通过研究目前数据采集卡系统广泛采用的软、硬件架构，设计一 种数据采集系统，它应具备以下几个特点： 上位机与采集板之间采用u s b 接口，以便支持即插即用； 为了保证高速的数据传输，应该采用u s b 2 0 接口； 采集系统应使用d s p 芯片，以便对采集的数据进行处理： 2 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 数据采集通道数可选，能最多同时采集1 6 路模拟电压信号； 上位机能够对整个系统进行控制和监视： 系统结构应尽量简单，成本应尽量低 1 4 课题的主要研究工作 本论文的主要研究工作有： 在了解了目前市场上现有u s b 、d s p 和a d c 芯片的特点之后，根据设计目 标，选取了支持u s b 2 0 且开发周期短的u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 13 和计算速度快且本 身内置多路a d c 功能的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 详细了解了各个芯片结构功能及特点，给出了系统总体设计方案。 给出了整个电路的实现方案，设计了系统的硬件，包括：u s b 与f 2 8 1 2 的直 接连接的设计，系统电源设计，外部r a m 扩展及预处理电路等。 给出了系统的软件实现，包括：u s b 的控制软件、d s p 软件设计、w i n d o w s 下上位机程序设计。在u s b 设备端的设计中采用了s l a v ef i f o 接口与d s p 通信， u s b 接口为d s p 与p c 之间的高速。桥”，使d s p 能高速通过u s b 接口与p c 通信， 而不需要u s b 设备端固件干预，从而u s b 2 0 接口传输带宽得到充分发挥。d s p 软件设计中介绍了a d c 模块的配置，数据采集和转发，控制命令的实现方法， 状态信息的反馈等。 在上位机软件部分，介绍了u s b 驱动开发，设计了上位机读取数据和控制系 统。并对整个系统进行了性能测试和分析。 最后，给出了系统的总结和展望，并讨论了可以改进的方向。 3 上海海事大学碗士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 2 1 数据采集 第二章相关基础介绍 一般来说，一种传感器总是将一种非电量( 如温度、湿度、压力等等) 转换成 某一种电量( 电压、电流) 。设计传感器测量系统的关键，就在于如何采集出这种 表示传感器随被测量的变化而变化的电信号。 通常的过程是，通过适当的电路，采集到这种电信号：并经过放大、滤波等 一系列处理：再由a d 器件转换成数字量，并送入到计算机或单片机中，以实现智 能化处理。 传感器数据采集的一般框图如图2 1 所示： 图2 一 传感器信号处理结构图 数字信号具有抗干扰能力强，易于被计算机处理等优点，所以在测量系统中， 我们通常是把模拟信号转换为数字信号加以处理。 在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要 一定的时间，即a d 转换器的孔径时间。当输入信号频率较高时，由于孔径时间 的存在，会造成较大的转换误差：要防止这种误差的产生，必须在a ，d 转换开始时 将信号电平保持住，而在a d 转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信 号处于采样状态。能完成这一功能的电路就是我们通常所说的采样保持电路。 实际上，采样，保持就相当于一个。模拟信号存储器州 在模拟信号输入通道中，是否需要加采样，保持器，取决于模拟信号的变化 4 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 频率和a d 转换的孔径时间：对快速变化的信号，当最大孔径误差超过允许值时， 必须在d 转换器前加采样，保持器：但如果采集的是缓变信号，此时就可以不加 采样，保持电路。在电路设计过程中，要根据实际需要，来决定是否加采样，保持 电路。 采样保持器的作用是：在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化：而在保 持状态，能使其输出值保持不变。采样保持器的基本原理如图2 2 所示： 也憎t 图2 - 2 采样保持器的基本原理 在t 1 时刻前。电路处于采样状态，此时输出信号v o 与输入信号v i 保持同步变 化；而在时间t 1 。开关k 断开，此时处于保持状态，输出电压恒值保持在t 1 时刻的 数值上：而在t 2 时刻，保持结束，新一个采样时刻到来，此时相当于k 重新闭合， v o 又随v i 同步变化，直至时刻份，新的保持信号到来，k 断开，输出信号又进入 保持状态。 因此，利用采样，保持器，在启动d 变换时，保持住输入信号，从而可避免 由d 转换孔径时间带来的转换误差：在进行多路信号瞬态采集时，可利用多个采 样保持器并联，在同一时刻发出个保持信号，则能得到某一瞬时各路信号的瞬 态值，然后再分时对各路保持信号进行转换，从而得到所需的值。 为使采样，保持器有足够的精度，一般在其输入级和输出级均采用缓冲器， 以减小信号的输出阻抗，增大负载的输入阻抗：选择电容时，使其容量大小适宜， 以保证其时间常数适中。通常应选用漏电流较小的电容。 5 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 通常加了缓冲器的采样，保持器如图2 - 3 所示： 图2 - 3 通用的采样保持电路 目前来说，一般多采用性能优越的集成式采样保持器。集成采样保持器的 特点有： 1 采样速度快，精度高，一般在2 2 5 u s i i p 达到o ：0 0 1 - 0 0 0 3 精度 2 被保持电平的电压下降速率慢，如a d 5 8 5 ，ad 3 4 8 为0 5 m v m s ，a d 3 8 9 为 0 1 u v m s 2 2u s b 及u s b 2 o 2 1 1u s b 规范制定的目标 通用串行总线( u s b ) 架构开发的最初的目的主要基于以下三方面考虑咧： 计算机与电话之间的连接：显然用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网络。然而，由于 目前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而u s b 贝t j 可以广泛的连接计算 机和电话。 易用性：众所周知，个人计算机( p c ) 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。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n a p 插即用的特性，u s b 正是在这种情况下问 世的。 端口扩充：外围设备的添加总是被相当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。 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 6 上海海事大学硕士学位论文 薹主里坚型! 竖曼! ：! 塑兰堕鍪塑墨叁垦竺翌至竺 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。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作系统 b i o s 设备驱动平台，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 遵循这个规范一u s b 2 0 u s b 的这些设计目标同时适用于仪器仪表的发展。 2 1 2u s b 体系结构 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行 数据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机 在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 ( 1 ) u s b 系统的描述 一个u s b 系统的主要被定义为三个部分： u s b 的互连： u s b 的设备( d e v i c e ) ； u s b 的主机( h o s t ) 。 u s b 的互连是指u s b 设备与u s b 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，无须进行优先级判别。 ( 2 ) 总线布局技术 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。 7 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 3 t i e r 4 图2 - 4 总线的拓扑结构 o u s b 的主机( h o s t ) 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( r o o th u b ) 是由主机 系统整合的，用以提供更多的连接点。 u s b 的设备( d e v i c e ) u s b 的设备如下所示： 碉络集线器，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 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l 1 e t w o r k ，综合业务数字网) 的连接，数字的游戏杆或扬声器。 ( 3 ) 物理接e l 电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 - 6 中的d + 。d 一两根线是用 于发送信号。存在三种数据传输率： u s b 的高速信号的模式( h i g hs p e e d ) 为4 8 0 m b p s ； - 全速信号传送的模式s p e e d ) 为12 m b p s ； 低速信号传送的模式( 1 0 ws p e e d ) 为1 5 mb p s ； 8 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 v 8 u s d + 弧 a f n d v b u s d + d l g n d 图2 5 u s b 的电缆 低速模式需要更少的e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，电磁干扰) 保护。 三种模式可用在同- - 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 只z l ( n o n e - r e t u m - t o - z e r oi n v e r t e d 倒转不归零) 码，以保证转换的连续性，每 一数据包中附有同步信号，以使接收方可还原出原时钟信号。 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 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、全速或低速设备。 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，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。 4 ) 总线协议 u s b 总线属一种轮循方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 每一次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u s b 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 备就是从设备到主机。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u s b 数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一 个通道p p e ) 。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 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 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 殊的通道一缺省控制通道，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 活的任务安捧，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。 ( 5 ) 健壮性 u s b 健壮性的特征在于： 使用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性： 在数据和控制信息上加了循环冗余码( c 只c ) ； 对装卸的检测和系统级资源的设置： 对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复： 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全： 数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了负 作用。 错误检测 u s b 传输介质产生的错误率是与自然界的异常现象的概率相吻合，是瞬时一 现的，因此就要在每个数据包中加入检测位来发现这些瞬时的错误，并且提供了 一系列硬件和软件设施来保证数据的正确性。 协议中对每个包中的控制和数据位都提供了循环冗余码校验，若出现了循环 冗余码的错误则被认为是该数据包己被损坏，循环冗余码可对一位或两位的错误 进行1 0 0 的修复。 错误处理 协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇报并重新 进行上一次失败的传输、传输中若遇到错误，u s b 主机控制器将重新进行传输， 最多可再进行三次。若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，客户端软件可 用一种特定的方法进行处理。 ( 6 ) 系统设置 u s b 设备可以随时的安装和折卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须 支持这种动态变化。 u s b 设备的安装 所有的u s b 设备都是通过端口接在u s b 上，网络集线器知道这些指定的 1 0 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 u s b 设备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，u s b 设备是否被安 装或拆除了，主机将所有的集线器排成队列以取回其状态指示。在u s b 设备安装 后，主机通过设备控制通道激活该端口并以预设的地址值给u s b 设备。 主机对每个设备指定唯一的u s b 地址。并检测这种新装的u s b 设备是集线 器还是功能部件。主机为u s b 设备建立了控制通道，使用指定的u s b 的地址和 零号端口。如果安装的u s b 设备是集线器，并且u s b 设备连在其端口上，那上 述过程对每个u s b 设备的安装都要做一遍。如果安装的设备是功能部件，那么主 机中关于该设备的软件将因设备的连接而被引发。 u s b 设备的拆卸 当u s b 设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该 设备己不存在。u s b 的系统软件将准确进行处理，如果去除的u s b 设备上集线 器，u s b 的系统软件将对集线器反连在其上的所有设备进行处理。 总线标号 总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一的地址的一种动作，因为u s b 允许u s b 设备在任何时刻从u s b 上安装或拆卸，所以总线标号是u s b 的系统软 件始终要作的动作，而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理。 ( 7 ) 数据流种类 数据和控制信号在主机和u s b 设备间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 设备的端口问的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互 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 设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其它u s b 设备端口接收数据的通道。 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型： 控制数据传送( c o n t r o lt r a n s f e r s ) ：在设备连接时用来对设备进行设置，还可 对指定设备进行控制，如通道控制； 1 1 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 图圃圆咯搿 固圜。揣巧 圃圃圆 8 鼬t a t 警u 批量数据传送( 8 u l kt r a n s f e r s ) ：大批量产生并使用的数据， + * 目 圆圆圃匪 下，具有很广的 圈园圆 图2 - 8 中断传输 同步数据的传送( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) ：l 妇预先确定的传送延迟来填满预 定的u s b 带宽。 圈 图2 - 9 同步传输 上海海事大学硕士学位论文基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 对于任何对定的设备进行设置时一种通道只能支持上述一种方式的数据传 输。 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。 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。在硬件级上可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。 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。 同步传输 同步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率 发送和接收实时的信息，同步数据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。 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，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 分以满足所想得到的传速率，u s b 还为同步数据的传送设计了最少延迟时问。 指定u s b 带宽 u s b 的带宽分配给各个通道，当一个通道建立后，u s b 就分配给它一定的 带宽，u s b 设备需要提供一些数据缓冲区。若u s b 提供了更多带宽，则需更多 的缓冲区。u s b 的体系要保证缓冲引导的硬件的延迟限定在几毫秒内。u s b 的 带宽容量可以容纳多种不同的数据流，因此保证u s b 上可以连接大量设备。同时 u s b 支持在同一时刻不同设备具有不同比特率，并具有一个动态变动的范围。 ( 8 ) u s b 设备 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 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，u s b 设备 必须在任何时刻执行与所定义的u s b 设备的状态相一致的动作。 设备特性 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是通过 该u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯。所有 u s b 设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控制通道将 与之相连。通过此控制通道，所有的u s b 设备都列入一个共同的准入机制，以获 得控制操作的信息。 在零号端口上，控制通道中的信息应完整的描述u s b 设备、此类信息主要有 以下几类： 标准信息：这类信息是对所有u s b 设备的共同性的定义，包括一些如厂商识 别、设备种类、电源管理等的项目。设备设置、接口及终端的描述在此给出。 类别信息：此类信息给出了不同u s b 的设备类的定义，主要反映其不同点。 u s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种有关信息，其格式不受该 规范制约。此外，每个u s b 设备均提供u s b 的控制和状态信息。 设备描述 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。 集线器 在即插即用的u s b 的结构体系中，集线器是一种重要设备。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。 一个集线器包括两部分：集线控制器( c o n t r o l l e 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。 功能部件 1 4 上海海事大学硕士学位论文 基于d s p 和u s b 2 0 的多路数据采集及处理系统 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的u s b 设备，通过一 根电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备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。 ( 9 ) u s a 主机：硬件和软件 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： 检澳g 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 设备之问的数据流： 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