（电路与系统专业论文）基于USB20的远程电路实验数据采集系统的研究和设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士论文 基于u s b 2 0 的远程电路实验数据采集系统的研究和设计 摘要 随着现代计算机技术的发展以及i n t e r n e t 在诸多领域的广泛应用，以p c 机作为平台的 数据采集系统已经成为当前数据采集技术发展的重要前进方向。本课题利用通用串行总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 所具有的传输速度快、支持热插拔、即插即用、易于扩展、占用 系统资源少等优点，并利用现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 芯片设 计了一种高速的远程数据采集与监控系统。 本文首先阐述了传统的数据采集控制和传输技术的不足之处，确定采用f p g a 作为外 围芯片电路的主控制器和u s b 2 0 总线的数据传输方式；然后详细给出了一种基于u s b 2 0 总线的远程电路实验数据采集系统的设计方法，包括硬件设计、固件设计、驱动程序设计、 界面应用程序设计几大方面，其中，硬件设计部分包括电源电路、信号调理电路、a d 采 样电路和u s b 2 0 接口电路的设计；固件设计部分包括a d 采样控制电路的固件设计和 u s b 2 0 接口芯片的固件设计；在驱动程序设计部分，利用w i n d o w s 驱动开发模型 w d m ( w m d o w sd r i v e rm o d e l ) 编制本数据采集系统的设备驱动程序；在界面应用程序设计 部分，通过v i s u a lc + + 集成开发环境，开发了服务器端和客户端的界面应用程序，并通过 t c p i p 协议在两者之间进行通信，实现了远程电路实验数据的采集和监控；最后对系统进 行了整体测试，验证了系统功能的j 下确性。 本文设计的基于u s b 2 0 的远程电路实验数据采集系统，可以使用户在远程的客户计 算机上通过网络对运行于现场的服务器计算机进行控制，从而达到远程数据采集、减少应 用成本的目的。 ， 关键词： u s b 2 0 ，数据采集，固件，w d m ，套接字( s o c k e t ) a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t 、矾mt h ed e v e l o p m e n to f m o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fi n t e m e t i nm a n yf i e l d s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h a tt a k e sp e r s o n a lc o m p u t e ra st h ep l a t f o r mh a s b e e nb e c o m i n ga l li m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nc u r r e n td a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t h i s t h e s i st a k e st h ea d v a n c e dp e r f o r m a n c eo fu n i v e r s a ls e r i a lb u s 谢t 1 1h i 曲一s p e e dt r a n s m i s s i o n , h o t p l u gi n , p l u ga n dp l a y , e a s ye x p a n s i o n , e n g r o s s i n gl e s ss y s t e mr e s o u r c e s ，a n dt a k e sf i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yc h i p ，a n dd e s i g n sak i n do fh i g h s p e e dr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y , b yr n e a n so fi n t r o d u c i n gt h ed i s a d v a n t a g e so f t h et r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o n , t h i s t h e s i sa d o p t sf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a ya st h em a i nc o n t r o l l e ro fp e r i p h e r a l l yc i r c u i ta n d u s e st h ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fu n i v e r s a ls e r i a lb u s ，t h e nt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nu s b 2 ，0b u si sd i s c u s s e di nd e t a i l si nw h i c h i tc o n t a i n ss e v e r a lp a r t s ：h a r d w a r e d e s i g n , f i l t hd e s i g n , d r i v e rd e s i g na n da p p l i c a t i o nd e s i g n i nt h ef i r s tp a r t , p o w e rs u p p l yc i r c u i t , t h e d e s i g no ft h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t , t h ea ds a m p l ec i r c u i ta n du s b 2 0i n t e r f a c ec i r c u i ti s d i s c u s s e d i nt e r m so ft h ef i r l nd e s i g n , t h ed e s i g no ft h ea dc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ef i r m w a r eo f u s b 2 0i n t e r f a c ec h i pi sd i s c u s s e d i nt h ep a r to fd r i v e rd e s i g n , t h ew d m ( w i n d o w sd r i v e r m o d e l 、i sf i r s t l yi n t r o d u c e da n dt h e nt h ed e s i g no fd r i v e ri nt h i st h e s i si sg i v e n a tl a s t , w i mt h e h e l po fv i s u a lc + + i d e ( i n t e g r a t i v ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) a n dt c p i pp r o t o c 0 1 t h e a p p l i c a t i o no fs e r v e ra n dc l i e n ti sc r e a t e da n di tc a l lt r a n s m i tt h ea c q u i s i t i o nd a t at ol o n gd i s t a n c e s u c c e s s f u l l y i nt h ee n d ，t h ew h o l es y s t e mi st e s t e da n dt h ef u n c t i o no f t h es y s t e mi sv a l i d a t e d c o r r e c t l y i nt h et h e s i s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h a ti sb a s eo nu s b 2 0i sc o m p l e t e d u s e r sf r o mt h e c l i e n tc o m p u t e rc a ns e n dac o m m a n dt ot h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti so nt h es e l w e rc o m p u t e rb yt h e w a yo f n e t w o r k a n di tc a nr e a l i z et h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n dr e d u c et h ea p p l i c a t i o nc o s t ， k e y w o r d ：u s b 2 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n , f i r m w a r e , w d m , s o c k e t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：二触 沙。缪年7 月f 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：掣埃k 瓣7 月日 硕j ：论文基于u s b 2 0 的远程i 【i 路实验数据采集系统的研究和设计 1 绪论 1 1 课题的选题背景及研究意义 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n1 是获取信息的基本手段，是计算机智能仪器与外界物理世 界联系的桥梁。数据采集技术一般指通过传感器把现实世界的物理信号转化为微弱的电信 号，然后经过信号的调理、模数转换直至存储这一过程所涉及的技术。数据采集技术主要 研究数据的采集、存储、处理以及控制，具有很强的实用性。在数据采集系统得到越来越 广泛应用的同时，人们对数据采集的各项指标也提出了更高的要求，如成本、分辨率、精 度、输入范围等，于是，高速和超高速的数据采集系统应运而生并得到了较快的发展。现 今，数据采集系统技术已经在工业生产和科学研究等领域中得到了广泛的应用。 数据采集系统按照其与计算机的通信方式可分为两大类：一类为内置式，即利用p c 机的内部总线，如i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 、p c i ( p r o g r a m m a b l ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ) 总线；一类为外置式，即利用p c 机的外部接e l ，如r s 2 3 2 ( r e c o m m e d e ds t a n d a r d 2 3 2 ) 。内置式的采集系统有诸多不足之处，首先，数据采集系统通常做成板卡的形式，安 装在p c 机机箱内部的插槽内，所以它不可避免地要受到计算机插槽数量、地址、中断资 源的限制；其次，系统难以扩展，计算机主板的面积不可能无限制的扩大；而且板卡的插 拔需要关闭计算机才能进行，非常不方便。而外置式接口显而易见就没有上述缺点。在传 统的外置式接口设计过程中，通常采用简单的串口或并口的通信协议形式，其传输速率很 低，比如r s 2 3 2 接口的传输速率通常小于1 1 5 k b p s ，因此，只适用于低速的数据采集系统 【l 】【2 】【”。从而，对于中高速的数据采集系统采用哪种通信接1 2 1 来提高通信的速度成为了问题 的关键。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种应用在计算机领域的新型接口技术，是由c o m b a q 、 i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家p c 机厂商为解决日益增加的p c 机外设与有限主板插槽和端口之间 的矛盾而制定的一种串行通信标准 4 】。它具有速度快、易扩展、热插拔、即插即用等诸多 优点，很好地解决了上述这些冲突，同时也很容易实现低成本、高可靠性的数据采集。本 课题设计采用了外置式的u s b 2 0 接口的数据采集方式，它使数据采集设备具有成本低、 稳定、热插拔、传输速度快、使用方便、易扩展、独立供电等优点【5 j 。目前，通用串行总 线采集技术在国外已经处于高速发展的阶段，尤其是在高速数据传输的同步性、准确性、 实时性等方面都有较为雄厚的实力。最近几年，u s b 采集技术在国内已经开始起步，并不 断发展，伴随着微电子技术的发展和微型计算机的广泛应用，不仅为高速采集系统的应用 开拓了广泛的前景，也对其应用产生了深刻的影响。 另一方面，在目前的数据采集系统的硬件设计中，通常采用通用单片机或d s p ( d i g i t a _ l s i g n a lp r o c e s s o r ) 作为系统c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n g 删t ) 来控制a d 采样电路、存储器电路 以及u s b 接口电路【6 】。采用通用单片机和u s b 接口芯片相结合的方案，其硬件成本低， 1 绪论硕士论文 但是单片机的时钟频率较低，可能难以满足数据采集系统的速度要求；而采用d s p 的系统 虽然可以实现高速的传输速率，但d s p 价格昂贵。随着电子技术的不断发展与进步，电子 系统的设计发生了很大的变化，传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 技术的芯片设计正成为电子系统的设计主流。现场可编程 门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的大规模可编一 程逻辑器件，随着e d a 技术和微电子技术的进步，f p g a 正在逐渐成为数字系统开发的平 台。f p g a 具有高集成度、高可靠性、几乎可将整个系统下载于同一芯片中，新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 和数字处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设 计，为实现片上可编程系统s o p c ( s y s t e l no np r o g r a m m a b l ec r d p ) 提供了强大的硬件支持。 利用f p g a 和u s b 接口芯片结合的方案具有单片机和d s p 无法比拟的优势，它具有功耗 低、时钟频率高、内部延时小、全部控制逻辑由硬件完成、速度快、效率高、组合形式灵 活、可以集成外围控制和接口电路等特点 7 】【8 】。因此，基于上述的诸多优缺点的比较，本课 题最终采用了利用f p g a 和u s b 接口芯片结合的这种方案。 此外，v i s u a lc + + 6 o 集成开发环境是一个功能强大的可视化软件开发工具，随着版本 的不断更新，其已经成为专业程序员进行软件开发的首选工具。利用f p g a 和u s b 技术 开发电路实验数据的采集系统，再结合v i s u a lc + + 集成开发环境开发界面应用程序，综合 了三者的优点。f p g a 控制a d 采样电路进行实验数据的采集，再通过u s b 2 0 总线把采 集到的数据传送本地上位机，再利用v i s u a lc + + 中的微软基础类库m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s e s ) 编写的网络应用程序把采集的数据通过网络传送到远程客户端。 本课题所设计的“基于u s b 2 0 的远程电路实验数据采集系统的研究和设计属于 i n t e r a c t 在远程数据采集和控制方面的一种应用，该系统具有很多的优点：无需铺设专用的 通信介质，只需利用现有的互联网实现远程数据的采集；系统采用t c p i p 协议进行数据的 传输，保证了所传输的信号有较高的质量；另外，实现了企业的自动化水平，降低了在现 场进行数据采集的风险，便于企业人力资源的合理配置，所以本课题具有重要的理论意义 和应用价值。 1 2 本系统的特点 本课题研究的基于u s b 2 0 总线的远程电路实验数据采集系统，其特点可简述如下： 7 ( 1 ) 整个系统采用典型的客户端服务器端c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式，在远程数据传输方 面采用w i n d o w s 的套接字( s o c k e t ) 进行编程，同时采用了面向连接的t c p 网络协议，保证 了所传输的信号具有较高的质量。远程客户端是整个通信的请求方，它通过向服务器端发 送请求进行数据采集的控制。 ( 2 ) 整个系统的应用程序是以v i s u a lc h 七0 作为丌发平台，编写用户操作界面，实现 数据的传输、处理、显示以及波形的绘制。 2 硕士论文基于u s b 2 0 的远程l 乜路实验数据采集系统的研究和设计 ( 3 ) 数据采集系统利用高性能f p g a ，高速a d 转换器，高速u s b 2 0 接口芯片，设计 了具有高速u s b 接口的外置式数据采集卡，信号的处理都是在p c 机上完成的。这样不仅 缩小了电路体积，提高了系统的稳定性，而且节约了系统成本。 ( 4 ) 在系统设计中，a d 转换器的控制程序是在f p g a 中设计的，程序代码是在 q u a r t u si i6 1 集成开发平台上使用v h d l 语言编写；而u s b 2 0 接口芯片的固件程序是由 芯片内部集成的增强型8 0 51 单片机控制执行的，程序代码是在k e i lu v i s i o n 2 集成开发平 台上使用c 5 1 语言编写。 。 整个系统的框图如图1 2 1 所示： 实验数据 u s b 信号调理l a d 采样 1 。筲u 誊【 _ o ：i 服务器客户端 丁上下 p c ( 具有数 p c ( 具有i 叫 上 据采集程络通信程 f p g a ， 序) 序) 五卤，牛i h 般 1 1 定。l 广。凸且：口 图l - 2 1 系统框图 由1 2 1 系统框图可知，系统的硬件电路比较简单，主要是a d 采样电路和u s b 2 0 接口电路。硬件电路的主要功能是在f p g a 的控制下，对经过调理后的实验数据先进行采 样量化编码，然后传输到u s b 2 0 接口芯片中，再通过u s b 总线把数据发送到本地服务器 端p c 机上，而数据的处理是通过软件的形式在p c 机上实现的，从而降低了系统的硬件成 本。 1 3 本课题研究内容 本论文在深入研究和使用u s b 2 0 总线技术的基础上，结合发展较为成熟的网络技术， 研究和设计了一种基于u s b 2 0 接口的远程电路实验数据采集系统。本文所研究的内容包 括以下几个方面： ( 1 ) 硬件电路的设计，包括电源电路、信号调理电路，a d 采样电路以及u s b 2 0 接口 电路的设计。 ( 2 ) 模拟信号的采集，主要是通过对a d 采样芯片时序的分析，在f p g a 芯片上用硬 件描述语言v h d l ( v e r y - h i g h - s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p f i o nl a n g u a g e ) 控制 a d 芯片对模拟信号的采样，然后把采样后的信号存储在f p g a 的片上存储器里。 ( 3 ) 基于u s b 2 0 协议，完成u s b 2 0 接口芯片固件程序的编写。 ( 4 ) 上位机u s b 2 0 设备驱动程序的编写。 3 1 绪论硕二l 论文 ( 5 ) 应用程序的编写，分为本地服务器端的应用程序和远程客户端的应用程序。 ( 6 ) 整个系统软件和硬件的综合调试。 1 4 本系统的技术实现 要实现具有上述特色的远程电路实验数据的采集系统，需要借助于以下的技术和工具： ( 1 ) 描述数字电路系统的v h d l 语言 对电路实验数据的采样部分，是通过编写v h d l 程序生成硬件控制电路，控制a d 转换器的时序来实现的。 ( 2 ) 开发平台 本设计的v h d l 的编程是在a l t e r a 公司的q u a r t u si i6 1 集成_ 丌发平台下完成的，配合 第三方仿真软件m o d e l s i m6 1 进行波形的前仿真和后仿真，验证电路功能是否正确。另外， u s b 2 0 接口芯片中的单片机固件程序是在德国k e i l 公司的k e i lu v i s i o n 2 开发平台下完成 的。 ( 3 ) 驱动开发包d d k ( d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ) 本设计p c 机上的u s b 的设备驱动程序是通过微软的驱动开发包d d k 编译生成的。 ( 4 ) v i s u a lc + + 集成开发环境 本设计的服务器端和客户端的界面应用程序是在v i s u a lc + + 6 o 集成开发环境下编写 的。 4 硕j 二论文 基于u s b 2 0 的远程r l l 路实验数据采集系统的研究和设计 2u s b 2 0 总线技术 为了克服p c 机老式接口的缺陷，p c 机制造商和用户迫切需要一种新型的外设连接方 式。这时通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 应运而生，u s b 是一种应用于计算机领域 的新型接口技术，最早是由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司于1 9 9 4 年提出的，其目 的是为了取代p c 机现有的各种外围接口，使外设的连接方式具有单一化、即插即用、热 插拔等特点。u s b 的出现大大简化了p c 机和外设的连接，可以说，u s b 是计算机连接技 术的重大变革【9 j 。随着u s b 技术版本的不断升级，其速度也相应地不断提高，u s b 2 0 总 线的传输速度已达到4 8 0 m b s ，使u s b 的应用场合不断扩大。 2 1u s b 系统 通常一个u s b 系统可以由三个部分来描述：u s b 主机( u s bh o s t ) 、u s b 设备s b d e v i c e ) 和u s b 互联( u s bi n t e r c o n n e c t ) c 。图2 1 1 表示了一个u s b 系统的分层结构图。 主机 客户软件 互联 1 十l 一 一 设餐 功能单元 u s b 逻辑设备 u s b 总线接l j 一实际的信息流啼逻辑的信息流 厂 中心实现领域 图2 1 1u s b 系统 2 1 1u s b 主机 u s b 主机是整个u s b 系统的核心，它不是单纯的硬件，而是u s b 设备所服务对象的 硬件和软件的集合。比如一个u s b 的打印机用于一台p c 机上，则此p c 机及其所安装的 操作系统被称为u s b 主机。在u s b 系统中，u s b 主机可被划分成u s b 客户软件、u s b 系统软件、u s b 总线接1 2 1 - - - 个功能模块。 客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现u s b 设备特定的功能，但它 2u s b 2 0 总线技术硕士论文 不能直接访问u s b 设备的功能单元，必须经过u s b 系统软件和u s b 总线接口才能实现。 客户软件包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序。u s b 设备驱动程序并不理解实际的串 行传输机制，通过系统软件提供的接口和系统软件进行通信。 u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，主要包括主控制器驱动程序h c d ，( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) 、总线驱动程序u s b d ( u n i v e r s a ls e r i a lb u sd r i v e r ) 、非u s b 主机软 件三个部分。 u s b 总线接口由u s b 主控制器和根集线器两部分组成，其中，根集线器是在u s b 主 控制器内部，为u s b 系统提供连接起点，而u s b 主控制器负责完成数据的实际传输。 2 1 2u s b 设备 u s b 设备按其功能可划分成三个功能模块：功能单元、u s b 逻辑设备、u s b 总线接 口。各模块功能如下： ( 1 ) u s b 的功能单元负责完成u s b 设备的特定功能。 ( 2 ) u s b 逻辑设备负责和u s b 系统软件完成配置通信。 ( 3 ) u s b 总线接口负责实际物理比特流的传输。 u s b 设备一般分为两种：u s b 集线器( h u b ) 和u s b 功能部件( f u n c t i o nd e v i c e ) 。u s b 集线器可以提供更多的u s b 连接端口。u s b 功能部件是一种通过u s b 总线进行数据发送 和接收的u s b 设备【9 】【l l 】。 2 1 3u s b 互联 u s b 互联是指u s b 设备和u s b 主机之间的通信方法，包括： ( 1 ) 总线的拓扑，即设备和主机的连接模式。 ( 2 ) 各层间的关系，即完成一个特定的u s b 任务时，各层之间各自的任务。 ( 3 ) 数据流动的模式，即u s b 总线的数据传输方式。 ( 4 ) u s b 总线的分时复用。 2 2u s b 接口的物理特性和电气特性 u s b 的物理连接指一个集线器的下行端口和另一个集线器的上行端口或u s b 设备之 间的连接。对于高速( 4 8 0 m b s ) 和全速( 1 2 m b s ) 的情况，u s b 电缆需要使用外壳屏蔽、数据 线双绞的电缆，而低速电缆不需要外壳屏蔽和数据线双绞。 u s b 电缆线的内部由4 根信号线组成，分别是电源线v b u s 、地线g n d 、差分数据线 d + 和d 。如图2 2 1 所示。u s b 主机可通过v b u s 和g n d 给u s b 设备供电。 在实际的物理数据传输时，u s b 采用不归零翻转n r z i ( n o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t ) 编码 的差分信号，以保持数据通信双方的数据同步，这样u s b 在进行数据传输时，就不需要使 用专用的时钟信号。 6 硕j ：论文 基于u s b 2 0 的远程i 也路实验数据采集系统的研究和设计 在u s b 设备连接时，u s b 系统能自动检测到这个连接，并识别出其采用的传输速率： 高速、全速或低速。 v b u s d + n g n d 图2 2 1u s b 电缆线 u s b 采用在d + 或d 线上增加上拉电阻的方法来识别低速和全速设备，如图2 。2 。2 和 图2 2 3 所示，其电阻安排情况如下： ( 1 ) 低速u s b 设备的d 线上连有接至3 o 3 6 v 电压的1 5 ( 1 5 ) k q 的上拉电阻陆。 ( 2 ) 全速u s b 设备的d + 线上连有接至3 6 v 电压的1 5 ( 14 - 5 ) k q 的上拉电阻i 。 ( 3 ) 主控制器和集线器的下行端口的d 斗和d 线上都连有接地的15 ( 14 - 5 ) k q 的下拉 电阻i 。 当u s b 主控制器或集线器的下行端口没有u s b 设备连接时，其d + 和d 线上的下拉 电阻r 甜使得这两条数据线的电压接近o v 。当低遗全速设备连接以后，在d 加+ 线上就会 出现大d , 为( 1 5 ( 1 5 + 1 5 ) ) v c c 的电压，如果这种状态持续2 5l - ts 以上，u s b 就会认为低速 全速设备已经连接。 、，r r 图2 2 2 低速u s b 设备电缆和电阻的连接 v c c 圈2 2 3 全速u s b 设备电缆和电阻的连接 如果u s b 设备采用的是束缚电缆，的阻值也可以根据具体情况作相应的改变，但 在任何情况下，都不能小于9 0 0。而且，上拉电阻的比最好来自u s b 总线电源v b u s ， 以便当v b u s 不存在的时候，瞄和酗不会在d 一或d + 上产生任何电流。 2u s b 2 0 总线技术硕士论文 高速设备在连接起始时需要以全速同u s b 主机进行通信，以完成设备的配置操作，这 时需要在d + 线上连接1 5 ( 1 5 ) k q 的电阻r 跚接至3 。0 v | 3 6 v 电压。当高速设备正常工 作时，如果其采用高速传输的话，d + 线不可上拉( 不需要使用上拉电阻r 棚) ；但如果仍采 用全速模式，则在d + 线上必须使用上拉电阻r 咖。所以，为识别出高速u s b 设备，需要 在上拉电阻和d + 线之间连接一个软件控制开关，如图2 2 4 所示。它通常被集成在u s b 设备接口芯片内部。 2 3u s b 的编码方式 图2 2 4 高速u s b 设备电缆和电阻的连接 u s b 数据包在总线上传输时使用差分信号，但在传输之前需经过一定的编码，以确保 数据传送的完整性。u s b 采用了不归零翻转屹i ( n o i lr e t u mt oz e r oi n v e r t ) 的编码方式， 它用“0 代表电平发生跳变，“l 代表电平未发生跳变，如图2 3 1 所示。u s b 在每发送 的一个数据包之前都添加一定数量的o ，这样编码后就为收发双方提供了同步信号，所以 这种编码方式不需要使用单独的时钟信号来保持发送方和接收方的同步。 01 o 11 o 10l00010 011o 原始数据i 习厂 厂 厂 厂 厂 厂 n 呦码i 五羽厂 厂 厂 厂 厂 总线空闲l - j l jul _ jl j 图2 3 1n r z i 编码 另外，如果传输的数据有6 个连续的“1 ，那么发送方会在后面加上一个“0 ”，以保 证在7 个位周期内至少发生一个跳变。这种位填充机制是为了确保收发双方同步，且由芯 片内部的硬件自动实现。在数据接收时，如果数据接收方在检测到6 个连续的“1 ”之后， 接收方的硬件接收电路也会自动丢弃第7 位的“0 ”信号。 8 硕士论文基于u s b 2 0 的远程i 【 路实验数据采集系统的研究和设计 2 4u s b 数据传输类型 根据传输数据量大小、传输速率的高低、需同步传输或突发传输等不同要求，u s b 定 3 ( t4 种数据传输类型：控制传输、中断传输、块传输、同步传输 1 2 】【13 1 。 ( 1 ) 控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 控制传输用于传输少量的、对传输速率和传输时间均无要求的数据传输。控制传输一 般用于u s b 设备的配置。它包含建立、数据和状态三个阶段，且每个阶段都是由特定的事 务组成。控制传输必须首先发出一个s e t u p 令牌包，然后是可选的数据包，最后握手包。 图2 4 1 表示控制传输s e t u p 事务处理的格式。 卒闲 令牌 数据 握手 空闲 匿囫主机口u s b 设备 图2 4 1s e t u p 事务处理的格式 ( 2 ) 中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 中断传输适用于传输少量的、且对服务周期有要求的数据传输，如键盘、鼠标等设备。 中断传输包括玳传输和o u t 传输，可具有令牌、数据、握手三个阶段，如图2 4 2 所示。 令牌 握手 空闲 眨瀚主机u _ l 3u s b 设备 图2 4 2 中断事务处理格式 ( 3 ) 块传输( b u l kt r a n s f e r ) 块传输适用于传输大量的、且对传输时间和传输速率均无要求的数据传输，图2 4 3 表示了块传输的处理过程。块事务一般包含令牌、数据和握手三个阶段。块事务是单向传 9 2u s b 2 0 总线技术 硕士论文 输的，或是n 或是o u t 。如果要进行双向数据的传输，则必须包含两个块端点。对于高 速u s b 设备来说，还必须支持p i n g 和n y e t 协议。 令牌 数据 握手 图2 4 3 块事务处理格式 ( 4 ) 同步传输( s y n c h r o n i z a t i o nt r a n s l ) 同步传输适用于传输大量的、速度恒定的、且对服务周期有要求的数据传输。图2 4 4 表示了同步传输的处理过程。同步传输没有握手阶段，不采用差错控制和重试机制，不保 证每次传输的数据成功。通常适用于音频和视频类设备，因为在它们看来，数据传输的及 时性远比其正确性要重要。 2 5u s b 的设备构架 圈主机口u s b 设备 图2 4 4 同步事务处理格式 空闪 为了正确描述u s b 设备的特性，u s b 引入了设备构架的概念。u s b 的设备构架认为 u s b 设备由一些配置、接口、端点组成，并用各种描述符来说明其设备架构。由图2 5 1 可以看出，一个u s b 设备可以包含一个或多个配置，而在每个配置中可以包含一个或多个 接口，每个接口中可含若干个端点。 1 0 硕j 二论文基于u s b 2 0 的远程i 也路实验数据采集系统的珂f 究和设计 图2 5 1u s b 设备架构 2 5 1 设备 设备代表一个u s b 设备，用设备描述符来说明设备的各种属性，并且一个u s b 只能 有一个设备描述符。如果高速u s b 设备既要进行高速传输又要进行全速传输，则它必须还 要包含一个设备限定描述符，以指出在另一个传输速度下的设备总体信息。 2 5 ，2 配置 一个设备可以包含一个或多个配置，在u s b 设备可以使用之前，u s b 主机必须为其 选择一种合适的配置。配置描述符用于说明设备配置特性，如当前配置所含接口的数目。 如果高速设备既需要进行高速传输又要进行全速传输，则它还必须有一个其它速率配置描 述符，用于指定在另一种传输速率下设备的配置信息。 2 5 3 接口 一个配置可以包含多个接口，其中每个接口都有一个接口描述符与之对应。接口描述 符描述了各个接口的特性，如接口所属设备类及子类，接口所含端点数目等。接口可以包 含一个或多个可替换设置，用来改变接口中端点的个数和类型。 2 5 4 端点 端点对应着u s b 设备的实际物理缓冲区，一般集成在u s b 接口芯片内部。u s b 设备 中的每个端点都有唯一的端点号与之对应，各端点所支持的传输方向也是确定的：或是输 入( 烈) 或是输出( o u r ) 。根据端点号的不同，可以将端点分成下述两种类型： ( 1 ) 0 号端点 2u s b 2 0 总线技术硕= l = 论文 该端点比较特殊，它有n 和o u t 两个物理缓冲区，但是只有一个端点号o ，而且该 端点只能进行控制传输。任何一个u s b 设备都必须有一个0 号控制端点，用柬在u s b 设 备枚举阶段进行设备的配置通信。 ( 2 ) 非0 号端点 根据具体需要，u s b 设备还可以包含有非0 号端点。对于全速高速设备，最多含有 1 5 个非0 号端点；对于低速设备，最多含有2 个非0 号端点。所有的非0 号端点都必须在 u s b 设备被配置后才可以使用。 2 5 5 管道 管道是对u s b 主机和设备间通信流的抽象，一个u s b 管道是主机软件( u s b 系统软件 或客户软件) 和u s b 设备端点之间的连接，如图2 5 5 1 所示。它表示主机的数据缓冲区和 u s b 设备的端点存在着逻辑的数据传输，而实际物理数据流的传输是在u s b 总线接口层 完成的。 图2 5 5 1u s b 管道 管道和u s b 设备中的端点一一对应，且管道中所传输数据的类型也随着端点类型的不 同而不同，比如块端点所对应的管道是块管道，且该管道只能进行块传输。根据管道中所 传输数据的类型不同，可以将管道分为下述两种类型： ( 1 ) 流管道( s t r e a mp i p e ) 流管道中所传输的数据不具有u s b 定义的格式，数据流从管道的一端流进，从另一端 流出，且通常都是单向的。它可以用作中断传输、同步传输、块传输。 ( 2 ) 消息管道( m e s s a g ep i p e ) 消息管道中所传输的数据具有u s b 定义的格式，它通常是双向的。只能用作控制传输， o 号控制端点所对应的管道就是消息管道。 1 2 硕- j 二论文慕于u s b 2 0 的远程i 乜路实验数据采集系统的研究和设计 2 6u s b 事务处理 u s b 事务处理是u s b 主机和u s b 设备间数据传输的基本单位，由一系列具有特定格 式的信息包构成。如s e t u p 包、a c k 包等，如图2 6 1 所示。根据各个事务中所含信息包 的不同，可将一个事务处理分为三个阶段：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。各阶段的功 能如下： ( 1 ) 令牌阶段：表示事务处理的开始，其定义数据传输的类型。 ( 2 ) 数据阶段：负责传输特定长度的数据。 ( 3 ) 握手阶段：用于报告本次数据传输是否成功。 主机主j l u s b 设备u s b 设备主机 叵囝三正叵囝三强叵习至碉 令牌阶段数据阶段握于阶段 图2 6 1 一个典型的事务处理 但并不是所有的事务处理都具有以上三个阶段，在有些情况下，事务处理可以不包含 数据阶段和握手阶段，但无论如何，都必须以令牌包开始。 信息包是u s b 总线上数据传输的最小单位。在u s b 系统中，所有的信息包为了保持 数据双方的同步，都是以同步字段开始的，紧跟在同步字段后面的是包标识符p i d ( p a c k e t i d ) 字段。根据p i d 的不同，信息包可以分为四种类型：令牌、数据、握手和专用。信息包 的结尾是e o p ( e n do f p a c k e t ) 信号，用来表示当前信息包的结束，总线将进入空闲态。 根据信息包所实现功能的不同，可将其分成四种类型：令牌包、数据包、握手包、专 用包。 ( 1 ) 令牌包 在u s b 系统中，只有主机可以发出令牌包。令牌包定义了数据的传输类型，它是事务 处理的第一阶段。u s b 中共包含下述七种令牌包： 输入令牌包( n ) ：用于u s b 设备向主机发送数据。 输出令牌包( o u t ) ：用于主机向u s b 设备发送数据。 设置令牌包( s e t u p ) ：用于控制传输的设置阶段，主机发送配置信息。 s o f 令牌包：主机以额定时间发出该令牌包，以表示帧d , 帧的开始。 p r e 令牌包：主机发送该令牌包来激活集线器的低速端口。 s s p l i t 令牌包：用于主机和高速集线器之间的通信。 p i n g 令牌包：用于在高速o u t 传输中提高总线利用率。 ( 2 ) 数据包 根据p i d 的不同，数据包可以分为四种类型：d a t a 0 、d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a 。 d a t a 0 和d a t a l 支持数据触发机制。s p l i t 事务处理需要使用d a t a 0 、d a t a l 和m d a t a ， 2u s b 2 0 总线技术硕士论文 而高速同步传输需要使用全部四种类型的数据包。 ( 3 ) 握手包 握手包用于报告事务处理的状态，以表明数据是否被成功接收、指定的端点是否已经 停止、不能响应命令等情况。根据p i d 的不同，握手包可以分为下述五种类型： a c k ：表示数据已经被成功接收了。 n a k ：表示u s b 设备暂时还不能接收或发送数据。 s t a l l ：表示设备不能接收或发送数据。 n y e t ：仅用于高速传输，通常用于p i n g 协议的一部分，由高速端点返回。 e r r ：仅用于高速传输，且只能作为s p l i t 事务协议的一部分，由高速集线器返 回，表明低速全速总线上有一个错误。 2 7u s b 设备的检测过程 2 7 1u s b 描述符 在u s b 系统中，主机通过获取u s b 设备的描述符来了解设备的所有信息，包括设备 ( d e v i l ) 描述符、配置( c o n f i g u r a t i o n ) 描述符、接e l ( i n t e r f a c e ) 描述符、端点( e n d p o i n t ) 描述符 及字符串( s t r i n g ) 描述符等。不同的描述符分别从不同的层次描述了设备的属性。设备描述 符指出了设备的总体信息，其内容对该设备中同一传输模式下的所有配置都有效。一个 u s b 设备只能有一个设备描述符。一个设备可以