（交通信息工程及控制专业论文）基于USB接口的多参数传输存储系统研制.pdf

西北1 业夫学硕士学位论文 摘要 摘要 通用串行总线( u s b ) 是目前p c 外设接口的主流总线标准，并迅速在工业 自动化仪器仪表中得到应用。u s b 具有即插即用、热插拔、高带宽、安装简单 等优点。本文将u s b 接口用于存储式测井仪器，取代了传统的r s 2 3 2 串口。存 储式测井仪器通过单芯总线与测量仪器连接，实现了数据的采集与存储。通过 u s b 接口，可以设定仪器的工作参数，并可以将采集存储的数据快速回传到p c 机。本文围绕设计目标，在简要叙述u s b 系统体系的基础上，从硬件、软件以 及u s b 设备驱动程序三个方面对系统做了详细介绍。存储电路采用多片2 4 l c 5 1 2 构成存储模块。u s b 接1 3 部分采用p d i u s b d l 2 作为u s b 收发器，利用批量传 输方式实现数据传输。驱动程序使用d r i v e r w o r k s 软件进行开发，符合w d m 驱 动程序模型。 关键词：u s b1 2 c 数据存储单芯总线w d m 堕i ! ! ：、业查兰堡：! 堂篁堡兰 一 一垒! 苎! 翌 a b s t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i sam a i n s t r e a mb u s s t a n d a r do fp cp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ，w h i c he x t e n d si t sa p p l i c a t i o n st oi n d u s t r i a la u t o m a t i ci n s t r u m e n t s ，u s bh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf a s ts p e e d ，p l u ga n dp l a y , h o tp l u g - u n p l u ga n de a s eo f u s e i nt h i s p a p e r ，an e wt y p e o fd o w n h o l em e m o r yg a u g e u s i n gu s bi n t e r f a c e i s d i s c u s s e d i tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lr s 一2 3 2s e r i a l p o r t t h em e m o r yg a u g e c o n n e c t sw i t hm e a s u r ei n s t r u m e n t s t h r o u g h am o n o b u sa n d a c c o m p l i s h e s d a t a a c q u i s i t i o na n dd a t as t o r a g e u s i n gu s bi n t e r f a c e ，p cc a ni n i t i a l i z em e m o r yg a u g et o s e tw o r k p a r a m e t e ra n dt h ed a t as t o r e di nm e m o r yg a u g ec a nb et r a n s m i t t e dq u i c k l yt o p c i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nt a r g e t sa n db a s e do i lt h eu s bs y s t e m a r c h i t e c t u r e ，t h es y s t e mi sd e t a i l e di n t r o d u c e df r o mt h r e ep o i n t so fv i e w ：h a r d w a r e ， s o f t w a r ea n du s bd e v i c ed r i v e r i nm e m o r yc i r c u i tt h em e m o r ym o d u l ec o n s i s t so f m a n y2 4 l c 51 2 u s bd e v i c ei sb a s e do np d i u s b d 12a n dt r a n s m i t t e dd a t at h r o u g h b u l kt r a n s f e r st y p eu s bd e v i c ed r i v e ri sd e v e l o p e d u s i n gd r i v e r w o r k sa n dc o m p l i e s w i t h w d m k e yw o r d s ：u s b 1 2 c d a t a s t o r a g e m o n o b u sw d m 西北：r 业大学坝士。学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着石油资源的紧张，油井的高产稳产成为油田开发的重点科研内容之一。 为挖掘生产潜力，人们在根据具体情况采用的压裂、震动、助剂和生物等种种增 产措施中，需要对油井的温度、压力、成分和放射性等物化量进行探测分析，以 便找到相应的对策。目前常用的探测方法是将传感器及采集电路放在探头内下 井，通过铠装电缆，利用数控系统在地面进行供电和控制，工程施工十分不变。 另外一种方式就是采用存储式井下仪器，存储式仪器是将传感器与采集电路制成 高压密闭探头，可随着管道或利用细钢丝绳收放进行井下探测。测井时把采集的 数据存到r a m 里，测井完毕之后，通过r s - 2 3 2 串口与p c 机通信，将记录的数 据回传到计算机中，形成数据文件，然后利用数控系统对数据进行处理、分析， 从而对测井做出综合解释。 目前存储式测井仪器的存储器容量都比较小，所以采样周期和测井时间都受 到很大限制。通常都是扩展几片数据存储器( r a m ) ，电路板布线非常复杂，并 且一旦掉电，数据将全部丢失。另外采用r s 一2 3 2 串口与p c 机进行通信，数据 回放速度慢、时间长。所以研制一种存储容量大，数据回放速度快的存储式仪器， 就有很高的使用价值与广阔的市场空间。近几年来科学技术迅猛发展，出现了通 用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 技术。u s b 最大的特点就是易于 使用、数据传输速度快、成本低廉。所以本文采用u s b 接口技术，设计了一种 新型的存储式测井仪器。 1 。2u s b 发展状况 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线是由c o m p a q 、d e c 、i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r n t e l e c o m 共同开发的新一代外设连接技术。由于其 具有使用方便及成本低廉等优点，迅速得到业界的强力支持，目前已经成为主流 的总线标准。1 9 9 6 年1 月制订了u s b l 0 规范，目标是为中低速的外围设备提供 堕j ! 三些查兰塑主兰垡堡兰 兰二兰堕堕 双向、低成本的总线，数据传输率最高为1 2 m b s 。1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。同年9 月颁布的u s b l 1 规范，成了支持u s b 的计算机 与外设上普遍采用的标准。随后许多：芷= 片厂商提供了基于u s b 接口的专用芯片， 使采用u s b 接口的设备日渐增多，u s b 逐步走进了实用阶段l i j 。 随着微机系统及其外设性能和功能的增强，需处理的数据量越来越大， u s b l x 的传输速率已经不能满足需要。1 9 9 9 年5 月起草了u s b 20 规范，该规 范的支持者除了原有的c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有h p 、 l u c e n t 和p h i l i p s 三个新成员。2 0 0 0 年4 月正式推出了u s b 2 0 规范，在新版本 中，增加了一种4 8 0 m b s 的数据传输率，以满足同益复杂的高级外设与p c 机之 间的高性能连接需求。u s b 2 0 是u s b 的自然升级，它在保留原有u s b 规范的 基 i t i 上又提供了更高的带宽，并且与现有的外设保持完全兼容。随着技术的发展， 又出现了u s b o t g ( o n - t h e - g o ) 技术，它是为了弥补u s b 2 0 的不足，对u s b 总线的协议进行了补充，使得u s b 总线可以进行点对点的数据传输，而不像以 前那样一定要求主机的参与，这样设备和设备之间就可以直接的进行数据传输。 1 3u s b 总线的优点 1 ) u s b 提供机箱外的热插拔功能，连接外设不必再打开机箱，也不必关闭 主机电源，u s b 可智能地识别u s b 总线上外围设备的动态插入与拆除，具有自 动配置和重新配置外设的能力，因此连接设备方便。 2 ) 每个u s b 系统中有一个主机，采用“级联”方式u s b 总线可连接多个 外部设备。每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个u s b 设备的u s b 插座上， 而其本身又提供一个或多个u s b 插座为下一个或多个u s b 设备连接使用。这种 多重连接是通过集线器( h u b ) 来实现的，整个u s b 网络中最多可连接1 2 7 个 设备，支持多个设备同时操作。 3 ) 适用于带宽范围在几千位秒( k b s ) 几百兆位秒( m b s ) 的设备。 u s b 总线既可以连接键盘、鼠标、摄像头、游戏设备、虚拟现实外设这样的低 速设备t 也可连接电话、音频、麦克风、压缩视频这样的全速设备，还可以连接 视频、存储器、图像这样的高速设备。此外，u s b 总线还允湃复合设备( 其有 多种功能的外设) 连接到p c 。 两北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 4 ) 可采用总线供电。普通的使用串口或并口的设备都要单独的供电系统， 而u s b 设备提供总线供电和自供电两种方式。对于电压为5 v ，所需电流小于 5 0 0 毫安的外设，可以采用总线供电，这样设备就不需要专门的交流电源了从 而降低了这些设备的成本，减小了外设体积，提高了性价比。 5 ) 低成本的电缆和连接器。u s b 通过一根四芯的电缆传送信号和电源，电 缆长度可变，可长达5 米。u s b 统一的4 针插头将取代机箱后部众多的串行口、 并行口、键盘接口等插座。 6 ) u s b 具有错误检测和处理机制，可识别设备的错误。支持主机与设备之 间的多数据流和多消息流传输，且支持同步和异步传输类型。较低的协议开销带 来了高的总线性能，且适合低成本外设的开发 ”。 u s b 广泛应用于传统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：以及新兴的消费类电子如p d a 、m p 3 播放器、数码相 机、移动电话等。同时其应用范围也在不断扩大，工业自动化仪器仪表正在成为 u s b 应用的热点之一。 1 4 本文的主要工作 组合式测井仪是将存储仪器与其它参数仪器( 温度仪、压力仪、流量仪、 套管接箍仪、含水率仪等) 通过单芯总线连接，构成三参数、五参数、七参数测 井仪。仪器结构如图1 - 1 所示。 存储仪器 图1 - 1 组合式存储仪结构图 系统硬件部分包括单片机电路、存储器电路、总线加载分离电路及u s b 西北工业大学硕士学位论义 第一章绪论 接口电路构成。其中微控制器采用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 8 和m i c r o c h i p 公司的 p i c l 6 c 7 3 b ，分别用来控制u s b 接口芯片和数据的采集与存储。u s b 接口芯片 采用p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 。 软件主要包括系统软件和u s b 设备驱动程序两部分。其中系统软件又包 括数据采集存储部分与u s b 接口部分，分别采用汇编语言和c 语言编写，驱动 程序采用d r i v e r w o r k s 编写。 4 西北工业大学顺卜学位沧义 第帝u s b 系统概述 第二章u s b 系统概述 2 1 系统接口的选择 目前，计算机与外设常用的接口有r s 2 3 2 c 串行接口，l t p 并行接口以及近 几年出现的u s b 接口。由于p c 机的限制，r s 2 3 2 c 最高数据传输速率不超过 1 1 5 k b s ，不适合大容量的数据传输。并行接口数据传输率高，但并行传送的线 路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错，并且连线较多。 u s b 接口则很好的解决了串口和并口中存在的问题，它传输速率高，u s b i 1 为 1 2 m b s ，u s b 2 0 已经达到4 8 0m b s 几乎可以满足所有设备的速率传输要求。 u s b 通过一根四芯的电缆传送信号和电源，最可跃达5 米。并且，u s b 可以从 总线为设备供电，从而降低了这些设备的成本，减小了外设体积，提高了性价比。 u s b 具有即插即用，热插拔等特性使用非常方便。基于上述优点，本系统选 取了u s b 接口。 2 2u s b 系统概述 2 2 1u s b 系统组成 一个u s b 系统主要分为三个部分：u s b 设备、u s b 主机和u s b 互连。 u s b 设备和u s l 3 主机通过 j s b 总线相连，u s b 的物理连接是分层的星型结构。 集线器( h u b ) 位于每个星型结构的中心。从主机到某个集线器或功能设各，或 个集线器到另一个集线器或功能设备之间，每段都是点到点的连接。u s b 的 总线拓扑结构如图2 一l 所示【2 】。 由于对集线器和电缆传输时问的定时限制，u s b 的拓扑结构最多只能有7 层 ( 包括根层) 。在主机和任一设备之问的通信路径中最多支持5 个非根层的集线 器，复合设备( c o m p o u n dd e v i c e ) 要占据两层( 如图2 一l 所示) ，所以不能把他 连接到第7 层，第7 层只能连接功能设备。 堕! ! 王些查堂塑：! = 兰垡堡奎翌三里堡垒墨! ! 壁 图2 1 总线拓扑结构 u s b 设备 u s b 有两种设各类：集线器( h u b ) 和功能部件( f u n c t i o n ) ，如人机接口、 打印机、图像扫描仪或海量存储器等各种设备。 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯的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管道与主机通讯。所 有u s b 设备必须在零号端点上提供一个特殊的管道，用来连接u s b 设备的u s b 控制管道。在零号端点上，控制管道中的信息应完整地描述u s b 设备，该信息 包括标准信息、类别信息、u s b 厂商信息。此外，每个u s b 设备均需提供u s b 的控制和状态信息】。 集线器是将设备连接在一起的集中器，可让不同性质的设备连接在u s b 端 e 1 上。集线器可将一个连接点转化成多个连接点，只有集线器可以提供附加的 u s b 连接点，集线器极大的简化了u s b 的互连复杂性。 功能部件是一种能通过u s b 总线发送和接收数据、可实现某种功能的u s b 没备。u s b 设备应具有标准的u s b 接口，包括能理解u s b 协议，响应标准u s b 操作，能对设备进行配置和复位。此外，每个功能设备都应包含设置信息，用来 塑! ! 三些- 大兰堡主兰焦堡兰 一塑三兰竖生墨! ! ! ! 堕 描述该设备的性能和资源要求，以便在使用功能部件前主机对其进行配置。 u s b 主机 在任一u s b 系统中只能有个主机。到主计算机的u s b 接口被称作主控制器， 主控制器可采用硬件、固件或软件相结合的方式来实现。根集线器集成在主机系 统内，向上与主总线( 如p c i 总线) 相连，向下可提供一个或多个连接点。u s b 主机通过主控制器与u s b 设备进行交互操作，主机主要负责完成以下操作： 检测u s b 设备的接入和移除； 管理主机和u s b 设备之间的控制流； 管理主机和u s b 设备之间的数据流； 收集状态和动作统计信息； 提供能量给连接的u s b 设备。 主机上的u s b 系统软件用来管理u s b 设备和基于主机的设备软件之间的交 互。u s b 系统软件与设备软件之间的交互有五个方面： 设备枚举和配置；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。 只要条件允许，u s b 系统软件就会使用目前的主机系统接口来管理上述的 交互操作。例如，如果主机系统使用高级电源管理( a m p ) 来进行电源管理， u s b 系统软件就会与a m p 消息广播设备相连，以便截获挂起和重新开始指示。 u s b 互连 u s b 互连是指u s b 设备与主机相连并和其通信的方式，它包括： 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接模型； 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：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机制。通过规划对互连机制的 访问，可以支持同步数据传输。 2 2 2 物理接口与电源 u s b 总线的电缆有4 根导线：一对标准尺寸的双绞信号线和一对标准寸的 电源线，如图2 2 所示。d + 和d 一是差分信号线，时钟随同差分数据一起编码、 7 堕! ! 三些叁兰堡! ：兰垡堡塞 一一三墨l 竖里兰! ! ! ! 堕 传送，时钟编码方案采用具有位填充的n r z i ( 反相非归零) 编码方式，每个包 前面的同步字段允许接受器同步它们的位恢复时钟。u s b 总线支持的数据传输 率由三种：高速信令位传输率为4 8 0 m b s ；全速信令位传输率为1 2 m b s ；低速 信令位传输率为1 5 m b s 。 ，。s ) t 1 ) 一 ( ：j n l ) v 秘0 s d t d g n d 图2 2 u s b 电缆 v b u s 和g n d 用来给设备提供电源，v b u s 在源端一般为+ 5 v 。通过选择合适 的导线线径以匹配指定的电阻压降和其它一些特性，如设备功率和电缆的灵活性 等要求。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出全速或低速设备。 每个u s b 单元通过电缆提供的电源功率是有限的，主机为直接连接到它的 u s b 设备提供电源，集线器也对它所连接的设备提供电源，u s b 设备也可以自 带电源。u s b 主机有一个独立于u s b 的电源管理系统，u s b 系统软件与主机电 源管理系统之间交互作用，共同处理诸如挂起或恢复这样的系统电源事件。 2 2 3 总线协议 u s b 是一种查询总线，由主控制器启动所有的数据传输。大多数总线事务 涉及三个数据包的传输。当主控制器按计划地发出一个描述事务类型和方向、 u s b 设备地址和端点号的u s b 包时，就开始发起一个事务，这个包被称作“令 牌包”( t o k e n p a c k e t ) ，它指示总线上要执行什么事务，欲寻址的u s b 设备及 数据传送方向。被寻址的u s b 设备通过解码相应的地址域进行自我选择。在给 定的传输过程中，数据传输方向既可以是从主机到设备，也可以是从设备到主机。 数据传输的方向会在令牌包里面规定。然后，事务源发送一个数据包( d a t a p a c k e t ) ，或者指示它没有数据要传输。最后，接收端一般还要用一个指示传输 是否成功的握手包( h a n d s h a k ep a c k e t ) 来响应。主控制器和集线器之间的某些 总线事务涉及4 个包的传输，这些类型的事务用来管理主机与全速低速设备间 的数据传输。 耍! ! 三些查竺堡生兰焦丝奎 兰三至旦塑蔓堡! 堕堡 主机与设备端点之间的u s b 数据传输模型被称作管道，管道有两种类型： 流管道和消息管道。流管道中的数据没有确定的u s b 定义的结构，而消息管道 中的数据却有。另外，管道还同数据传输带宽、传输服务类型、端点特性( 如方 向性和缓冲区大小) 有关。当u s b 设备被配置时，大多数管道就形成了。当一 个u s b 设备上电后，总是形成一个被称作缺省控制管道的消息管道，以便提供 对设备配置、状态和控制信息的访问。 事务调度表允许对一些流管道进行流量控制，在硬件级，通过使用n a k ( 否 认) 握手信号来调节数据传输速率，以防止缓冲区上溢或下溢情况的发生。当否 认应答信号发过后，一旦总线时间可用，就会重试该总线事务。流量控制机制允 许灵活地操作规划，以适应服务于不同种类混合的流管道。因此，可以在不同的 时间间隔，用不同大小的包为多个流管道服务。 2 2 4 稳定性 利用u s b 技术，可以使系统运行的更加稳定，其特点概括如下： ( 1 ) 使用差分驱动器和接收器以及屏蔽技术，以保证信好的完整性。 ( 2 ) 对控制域和数据域进行了循环冗余码( c r c ) 保护校验。 ( 3 ) 可以检测出设备的插拔状态，并对资源进行系统级的配置。 ( 4 ) 对丢失包或毁坏包执行超时处理，使u s b 协议具有自愈功能。 ( 5 ) 对数据流进行流量控制，以保证同步性和对硬件缓冲区的管理。 ( 6 ) 采用数据管道和控制管道结构，使不同功能模块之间相互不利的影响 独立开，消除了副作用。 u s b 传输介质产生的位误码率是非常小的。即便如此，为了防止误码的出 现，在每一个包中都含有误码保护域。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域和数据域提供了分开的循环冗余码校 验，若出现了循环冗余码的错误则认为该数据包已被损坏，循环冗余码可对一位 或两位的错误进行1 0 0 1 拘1 恢复。协议允许用硬件或软件的方法对错误进行处理， 硬件错误处理包括报告并重试错误的传输。传输中若遇到错误，u s b 主控制器 将重新进行传输，当错误达到三次，则向客户端软件报告错误。客户端软件可用 特殊的实现方法进行恢复操作。 堕! ! 三些查堂堡主堂焦堡兰 2 2 5 系统配置 第二章u s b 系统概述 u s b 协议支持u s b 设备随时连接到u s b 总线上，或随时从u s b 总线上拆 除。因此，系统软件必须适应物理总线拓扑结构的动态变化。 u s b 设备的连接 所有的u s b 设备都是通过集线器的端口连接到u s b 总线上。集线器有一些 状态位用来报告其端口上u s b 设备的连接和移除状况，主机可通过查询集线器 来获取这些位。在连接情况下，主机通过设备的控制管道，使用缺省的u s b 地 址来使能该端口并寻址该u s b 设备。所有的u s b 设各在刚接入u s b 总线或复 位之后，都要利用u s b 缺省地址来寻址。 主机为该设备分配一个唯一的u s b 地址，然后确定新连接的u s b 设备是一 个集线器还是一个功能。主机利用已分配的u s b 地址和端点0 来建立该u s b 设 备的控制管道。 如果新接入的u s b 设备是一个集线器，并且它的端口接有其它的u s b 设备， 那么对于所有的u s b 设备都会进行上述的操作。如果新接入的u s b 设备是一个 功能模块，那么将由适合该功能的主机软件来处理接入通知。 u s b 设备的移除 当从集线器的个端口移除某一u s b 设备时，集线器会自动关闭该端口并 向主机发出一个设备移除指示，然后移除指示将由相应的u s b 系统软件进行处 理。如果移除的u s b 设各是一个集线器，u s b 系统软件必须对集线器以及通过 该集线器接入系统的所有u s b 设备执行移除操作。 总线枚举 总线枚举是检查和识别总线上所连设备并给其分配唯一地址的一种活动。由 于u s b 允许在任何时候从u s b 总线上接入或移除u s b 设备，因此，总线枚举 对u s b 系统软件来说是一种持续执行的活动。另外，总线枚举还包括检测和处 理设备的移除。 2 2 6 数据流类型 u s b 协议支持以单向或双向的方式，在u s b 主机和u s b 设备之间交换功能 1 0 塑! ! ：! 些查兰堡! ：兰竺堡兰 笺= 童! ! 呈墨! ! ! 燮 数据和控制信号。u s b 的数据传输是在主机软件和一个u s b 设备上的特定端点 之间进行的，主机软件和u s b 设备端点之间的联系被称作管道。一般来说，各 个管道之间的数据流动是相互独立的。一个给定的u s b 设备可有多个管道，例 如，可以分别用两个端点来支持形成两个管道，一个管道用来传输主机到u s b 设备的数据，另一个管道用来传输u s b 设备到主机的数据。 一个给定的u s b 设备的每一个端点都有特殊的性质，这些特性规定了如何 访问这些端点。传输特性和应用程序的要求有关。端点可以根据它们实现的接口 来分类。接口则面对具体功能设备。u s b 系统软件通过一个缺省的控制管道来 管理设备，客户软件用管道束( 和相关的端点) 来管理接口。客户软件要求的通信 数据在主机上的一个缓冲区和u s b 设备上的一个端点之间传送。主控制器或 u s b 设备( 取决于数据传送方向) 将数据打包后在通过u s b 传送。图2 - 3 晚明了 通信流如何通过端点和主机存储器缓冲区之间的管道进行传输。 | 茧口 图2 - 3 u s b 通信流 u s b 数据传送类型 u s b 结构包括四种基本的传输类型：控制传输；批量传输；中断传输：同 步传输。 ( 1 ) 控制传输( c o n t r o l t r a n s f e r ) ：突发性的、非周期性的、由主机软件发 起的请求响应的通信，用于发布命令、配置设备、获取状态。控制传输提供了 一种方法来配置u s b 设备，并对它的操作的某些方面进行控制。每个设备都必须 实现一个缺省的控制端点( 它总是o 号端点) 。控制端点用来配置设备、控制设备 状态、以及该设备操作的其他方面。控制端点响应一些u s b 特殊请求，这些特殊 1 l 堕! ! 三些查堂堡! ! 兰些笙奎 塑三皇旦! ! 至竺! 堕 请求通过控制传输发送。例如，当检测到设备时，系统软件必须读取设备描述符， 以确定该设备的类型和操作特性。u s b 规范说明书还为集线器和其它的一些类型 的u s b 设备定义了一些设备请求。这些请求可以是为所有的u s b 设备定义的标准 请求，也可以视为特殊设备类定义的设备请求，还可以是厂商自定义的请求。厂 商自定义的请求只有对应的设备驱动程序和设备知道。 ( 2 ) 批量传输( b u l k t r a n s f e r ) ：非周期性的、大批量的数据的突发性的传 输。批量传输也叫做块传输，一般用于传输那些可以利用任何带宽进行传输的数 据，而且这些数据当没有可用带宽时，也可以延迟直到有可用的带宽时再传输。 批量传输用于对数据传输率没有特殊要求的设备。例如打印机就是一个典型 的批量传输设备。因为对打印机来说，较慢的数据传输率不会产生什么问题。除 非某个用户急于等待打印的结果。 ( 3 ) 中断传输( i n t e r r u p t t r a n s f e r ) ：用于及时可靠的数据传递，发生次数较 低、但反映迅速的通信。中断传输方式总是用于对设备的查询，以确定设备是否 有数据需要传输。因此中断传输的方向总是从u s b 设备到主机。如果设备当时没 有数据要发送，那么，设备不返回确认信息，表示现在没有数据要求发送。 ( 4 ) 同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 在主机与设备之间的周期性的、连 续的通信，一般用于传输与时间相关的信息。要求恒定传输速率的实时应用程序 一般都采用同步传输方式。同步传输的特点是要求及时地提供数据，这比验证数 据是否正确发送要重要得多。正因为这样，在同步传输中数据的有效性是不能保 证的。 对于任何给定的设备进行设置时，一个管道只能支持上述一种方式的数据传 输。 分配u s b 带宽 u s b 的带宽要在管道中进行分配。当一个管道建立后，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。u s b 设备要求的带宽越宽，所 提供的缓冲区也越大。u s b 的总线带宽可以在许多不同的数据流内进行分配。 这就允许在u s b 总线上接入各种类型的设备，而且可在同一时刻支持具有不同 比特率、宽动态范围的不同设备。u s b 协议规范对每一种传输类型如何访问总 线都做出了相应的规定。 2 堕! ! 王些盔堂婴：! 堂竺堡奎 塑三兰墨竺竺! 兰! 堕 第三章系统硬件设计 本章介绍了整个系统的硬件电路，主要包括数据采集存储电路年d u s b 接口电 路。 由于仪器是用来测量油井的温度，压力等参数，整个仪器将工作在几千米的 地下，所以仪器的工作温度要求非常高，达到了1 5 0 一1 7 5 ，这就要求系统的 元器件要有耐高温的特性。一般民用元件耐温在o 一7 0 之间，根本无法满足 设计要求，而工业级的元件也只能耐温在4 0 一8 5 之间，所以要达到指标要 求，必须采用军品元件并进行高温筛选以得到耐高温元件。 经过长时间的调研，发现有些元件没有军品，所以确定了将整个仪器分成两 部分的方案，一部分工作在井下，用于数据采集与存储，另一部分在地面用于工 作方式的设定和数据的回传，即u s b 接口电路。下面就详细介绍一下这两部分电 路。 3 1 数据采集存储电路 3 1 1 元件的选取 数据采集存储电路是工作在井下的，所以要采用耐高温的军品元件，这里单 片机选用m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 7 3 b 。由于没有合适的耐高温的f l a s h 存储器， 所以选用m i c r o c h i p 公司的e 2 p r o m ，型号为2 4 l c 5 1 2 。 p i c l 6 c 7 3 b 单片机是美国m i c r o c h i p 公司出品的8 位微处理器，它是p i c 系 列单片机中中档产品，由于采用分离指令总线和数据总线的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g ) 结构，因此指令与数据可以使用不同的宽度，在 p i c l 6 c 7 3 b 中，指令长度为1 4 位宽，处理的数据则是8 位宽。在程序代码执行 流程上，采用两级的流水线( p i p e l i n e ) 结构，因此程序的执行更有效率【6 1 。 p i c l 6 c 7 3 b 内部有4 k 的r o m 的和1 9 2 b y t e s 的r a m ，有2 2 个i 0 引脚， 内置的外围包括了3 个定时器，2 个捕捉i 撤p w m ( c c p ) 模块和个同步串 行通信端口，这个通信端口可以设置的模式有三种，分别是使用两线的集成电路 两北工业大学颂l 一学位论史 第三章系统碗件畦汁 间通信模式( 1 2 c ) ，使用三线的串行外围接口( s p i ) 或是通用同步异步接收发 送器( u s a r t ) ，这也就是一般所熟知的串行通信接口( s c i ) ，可用来做r s 2 3 2 通信的应用。另外还有一个5 个输入通道的8 位模拟数字转换模块。它也提供 了1 1 个中断源( i n t e r r u p ts o u r c e ) ，并由软件来设置他们的优先权。其时钟操作 速度范围：d c 到2 0 m h z 的时钟输入，相当于d c 到最短2 0 0 n s 的指令周期，具 有上电复位功能，内部具有看门狗定时器，其有自己的r c 振荡器，提高了动作 的可靠性。具有省电功能的休眠模式，此时仅有部分的外围维持工作，使用者可 以由外部中断或内部中断把单片机唤醒。有多种振荡时钟形式的选择：l p 低功 率振荡器模式；x p 振荡器n 皆振器模式；h s 快速振荡器谐振器；r c 电阻器电 容器模式。操作电源范围弹性大，由2 5 v 到60 v ，引脚可吸收或提供电流高达 2 5 m a ，工作温度范围很大，功率消耗低州。 2 4 l c 5 1 2 也是m i c r o c h i p 公司的产品，它是一种新型的1 2 c 总线存储器，其 内部有6 4 k 字节可电擦除的p r o m ，工作电压范围2 5 5 5 v ，可用于低功耗通 讯及数据存储，它具有页写功能，一次页写最大字节数可达1 2 8 字节，在数据读 取方面，它可以按字节也可以采用连续的方式。选取2 4 l c 5 1 2 的主要原因是其 嗣高温以及低功耗的特性。 2 4 l c 5 1 2 的主要特点如下： 低功耗c m o s 技术：在写操作时，最大电流5 m a ，读操作时，最大电流4 0 0 u a ， 静态电流1 0 0 n a ；2 线串行总线接口( 兼容1 2 c ) ；1 2 8 字节页写功能；最大写周 期5 m s ；硬件写保护；1 0 万次擦写：静电保护大于4 0 0 0 v ；数据可保持2 0 0 年 以上；有p d i p 、s o i c 、t s s o p 以及d f n 四种封装；工作温度范围有两种，工 业级和军品级 s l 。 3 1 2 电路工作原理 电路原王坐框图如图3 - 1 所示。本系统为存储式数采集系统，采用间歇工作方 式：即按照工作表( 时间表) 在特定时问进行数据采集、处理、存储，而在其它 时阳j 系统处于休眠状态( 只有时钟工作) 。在这种方式下，既使系统处于省电状 态，又使采集数据不至过多，以免系统存储不下。 塑j ! 三些查兰塑芏堂! 兰丝苎羔三童j 墅型翌丝! 鲨 图3 - i 数据采集存储电路框图 本仪器与其它测量仪器连接，进行数据采集，由于测量仪器是采用单芯总线 进行供电与数据传输，所以本仪器也必须采用单芯总线的通信方式，其通信格式 如图3 - 2 所示。 芦o ! 一h 图3 2 单芯总线信号示意图 同步脉冲的加载与数据信号的解调是通过总线加载、分离电路完成的。在进 行数据采集的时候，单片机每隔1 2 5 u s 发送一个同步脉冲，测量仪器收到后，如 果有数据，就会将总线拉低，经过解调，单片机将此数据采集到。如果没有数据， 总线保持不变。由于要挂接多个测量仪器，每个仪器都有一个特定的时间地址， 即仪器收到同步脉冲后，会经过一个特定时间的延迟后，再将数据加载到总线。 如图3 - 2 中的t l 、t 2 、t 3 ，其它仪器与此类似。这样就实现了通过单芯总线对 多个信号进行采集。 总线加载电路如图3 - 3 所示。单片机输出的同步脉冲接在i n ，其周期为 1 2 5 u s ，脉宽为l u s 。l i n e 为单芯总线，同步脉冲和负脉冲数据信号都是加载在 总线上。q 1 为n 沟道场效应管，q 2 为p 沟道的场效应管。在这里q 1 相当于一 l5 工一阿 =撒一 门几磊一 一嚣机工竺垮 黻蛳 刚 叫 要j ! 三、业查兰塑主兰堡丝苎 一一兰三兰墨堕兰! 堡生 个开关，当同步脉冲到来时场效应管q i 导通，将q 1 的漏极瞬时拉低，此时q 2 导通，电容c 3 相当于一个电荷泵，在l i n e 上产生正脉冲，电容c 3 向r 3 、r 7 、 l 1 及负载放电，而此时l 1 对正脉冲有加强的作用。 + 1 2 v 图3 - 3 总线加载电路 总线分离电路如图3 - 4 所示。在电路中，电容c 6 用来隔直，r 1 0 为上拉电 阻。d 1 是5 v 的稳压管，可以消除正同步脉冲并将数据信号变为5 v 负脉冲信号， 但得到的信号是不规则的矩形波。5 4 h c 4 5 3 8 是单稳态触发器，工作方式设置为 下降沿触发，对数据信号的波形进行调整，由于数据信号的脉宽为l u s ，而单片 机的指令周期也为l u s ，如果把这个信号直接输入到单片机，单片机将很难准确 的采集。利用单稳态出发器可以将信号展宽，其输出信号的宽度由r 8 和c 5 的 图3 - 4 总线分离屯路 1 6 西- t l j ：业大学硕t 学位论文第三章系统硬件设计 乘积决定。在设计中将信号脉冲的宽度调为4 5 u s ，这样单片机能可靠的采集数 信号。 系统的存储器采用模块化设计，将1 6 片2 4 l c 5 1 2 平 1 两片5 4 h c l 3 8 设计成一个 1 m 字节的模块，系统的最大寻址范围是8 m 字节，根据采集参数的多少以及采集 时间，可以选择性的安装存储器模块，而不需要改变电路。存储器模块如图3 5 所示。 u 1 6 cy o by 1 ay 2 g 2 a a 2 by 4 g 1y s 1 眦y 6 a n dy 了 u 1 7 圈3 - 5 存储器模块 时钟电路是连接到单片机r c o 和r c l 两引脚的一个晶振，它对应单片机的定 时计数器1 ( t i m e r l ) 。在单片机内部，这两个引脚之间内置有一个振荡器电路， 使用这个振荡器最大的好处是在单片机进入休眠模式后，振荡器依然会继续输 出，因此可以继续t i m e r l 的累计工作，当计数器溢出后，会产生一个中断，它可 以把单片机从休眠模式唤醒。 堕j ! 三些查堂堡1 堂垡丝兰 3 2u s b 接口电路 第三章系统硬件殴汁 3 2 1u s b 接口方案的选择 在进行一个u s b 设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的u s b 控 制器。目前，市场上供应的u s b 控制器主要有两种：带u s b 接口的单片机或纯粹 的u s b 接l _ _ _ 】芯片。 带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于 u s b 控制的单片机，比如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 高 速) ，这类芯片是完全按照u s b 协议设计的，但由于其结构不同于其它常用控制 芯片开发者需要较长的学习时间，并且需要专门的开发工具，所以不利于快速 歼发项目。另一类是增加了u s b 接口的普通单片机，例如i n t e l 公司的8 x 9 3 1 、 8 x 9 3 0 ( 基于8 0 5 i ) ，c y p r e s s 公司的e z u s b ( 基于8 0 5 1 ) ，这些单片机采用开 发者熟悉的结构和指令集，处理能力强，构成系统的电路简单，调试方便，是目 前常用的一种方案。但由于具备t u s b 接口，与过去的开发系统不兼容，需要重 新购买开发系统，投资较高，对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。 纯粹的u s b 接口芯片仅处理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议 处理和数据交换。典型产品有p h i l i p s 的p d i u s b d ll ( i 接口) 、p d i u s b d l 2 ( 并 行接口) ，n s 公司的u s b n 9 6 0 3 9 6 0 4 ( 并行接口) ，n e t c h i p 公司的n e t 2 8 8 8 等。 u s b 接口芯片的主要特点是价格便宜、接口形式多样、可靠性高，具有很高的灵 活性，尤其适合产品的改型设计，缺点是开发者需要非常熟悉u s b 协议，以处理 u s b 总线事务，同时要用微处理器控制收发器的工作口5 1 。 根据仪器的具体要求，成本以及实验室具体情况，本文选择t u s b 接口芯片 p d i t 3 s b d l2 。 3 2 2p d i u s b d l 2 简介 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件。它通常用作微控制器系统中实 现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的d m a 传输。这种 实现u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最 西北丁业大学删士学位论文 第三章系统醚件没计 合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用( 通过使用已有的 结构和减少固件上的投资) ，从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设的解决 方案”。 特性： 符合通用串行总线u s b1 1 版规范 高性能u s b 接口器件，集成了s i e 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器 符合大多数器件的分类规格 可与任何外部微控制器微处理实现高速并行接口( 2 m 字节秒) 完全自治的直接内存存取d m a 操作 集成3 2 0 字节多结构f i f o 存储器 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 在批量模式和同步模式下均可实现l m 字节虎b 的数据传输速率 具有良好e m i 特性的总线供电能力 在挂起时可控甫l j l a z y c l o c k 输出 可通过软件控制与u s b 的连接 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，在通讯时使l e d 闪烁 可编程的时钟频率输出 符合a c p l 、o n n o w 和u s b 电源管理的要求 内部上电复位和低电压复位电路 有s 0 2 8 和t s s o p 2 8 封装 工业级操作温度一4 0 + 8 5 高于8 k v 的在片静电防护电路，减少了额外元件的费用 具有高错误恢复率( 9 9 ) 的全扫描设计确保了高品质 双电源操作3