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远程USB光纤传输系统的研究与设计.pdf

远程USB光纤传输系统的研究与设计.pdf

上传者: 用户1997007114 2013-12-07 评分1 评论0 下载0 收藏0 阅读量676 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《远程USB光纤传输系统的研究与设计pdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含远程USB光纤传输系统的研究与设计摘要通用串行总线(USB)是一种新兴的计算机外围通信接口标准随着计算机技术和数字技术的迅猛发展以及USB、USBO符等。

远程USB光纤传输系统的研究与设计摘要通用串行总线(USB)是一种新兴的计算机外围通信接口标准随着计算机技术和数字技术的迅猛发展以及USB、USBOTG的推出USB技术的应用日益广泛。USB具有灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点已成为当前计算机必备的接口。但是其单段电缆几米、多级串联几十米的传输距离始终是限制其应用范围进一步拓展的巨大障碍。因此远程USB传输系统的开发具有重要意义。本文提出了一种利用光纤实现USB信号远距离透明传输的方案。它支持USB全速传输在本地的主机一侧和远端的设备一侧分别添加一个光收发端机中间通过一对单模光纤进行连接。本文对系统的硬件电路和FPGA内核编程作了详细介绍给出了各部分的电路原理图、Verilog核心代码和调试结果对系统调试和运行中出现的问题进行了分析给出了解决问题和排除故障的方案。文末还对高速远程USB传输系统的设计提出了建议并提出了后续工作的目标。关键词:通用串行总线(USB)光纤传输远程传输现场可编程门阵列(FPGA)Verilog硬件描述语言(VerilogHDL)光收发端机图片目录图USB总线拓扑图USB电缆图典型的高速全速USB电缆结构图插锁型连接器协议图低速设备的电缆和电阻连接图全速和高速设备的电缆和电阻连接图NRZI数据编码图USB分层体系结构图USB包的结构图SYNC字段的结构图PID字段的格式图令牌包的结构图SOF包实例图SETUP包实例图IN包实例图OUT包实例图DATA包的结构图DATA、DATA包实例图握手包的结构图ACK包实例图NAK包实例图STALL包实例图远程USB光纤传输系统总体结构图光收发端机的结构图MAXE功能框图图MAXE周边电路图MAXE周边电路设计原理图图PT外观实图及引脚示意图图PT驱动电路图PT驱动电路设计原理图图串行配置器件周边电路图供电电路设计原理图图顶层PCB视图图系统外观实图图光端机对不同包的处理图SETUP进程数据流图图IN进程数据流图图OUT进程数据流图图FPGA内核结构框图图系统运行波形图()图系统运行波形图()图系统运行波形图()FigUSBBusTopologyFigUSBCableFigTypicalHighfullspeedCableConstructionFigKeyedConnectorProtocolFigLowspeedDeviceCableandResistorConnectionsFigHighfullspeedDeviceCableandResistorConnectionsFigNRZIDataEncodingFigUSBImplementationAreasandHostDeviceDetailedViewFigUSBPacketStructureFigSYNCPatternFigPIDFormatFigTokenFormatFigSOFPatternsFigSetupTokenPatternFigInTokenPatternFigOutTokenPatternFigDataPacketFormatFigASamplewithDataandDataPacketsFigHandshakePacketFormatFigACKHandshakePatternFigNAKHandshakePatternFigSTALLHandshakePatternFigSystemStructuralOverviewFigFunctionalDiagramoftheOpticalTransceiverFigFunctionalDiagramofMAXEFigTypicalOperatingCircuitsforMAXEFigCircuitSchemeforMAXEFigFormandPinsofPTFigTypicalOperatingCircuitsforPTFigCircuitSchemeforPTFigOperatingCircuitsforSerialConfigurationDeviceFigCircuitSchemeforPowerSupplyModuleFigPCBTopLayerOverviewFigSystemOperatingOverviewFigDispositionsofDifferentTypesofPacketsFigPacketFlowChartforSetupProcedureFigPacketFlowChartforInProcedureFigPacketFlowChartforOutProcedureFigFPGAKernelBlockDiagramFigWaveformCapturedDuringSystemRunning()FigWaveformCapturedDuringSystemRunning()FigWaveformCapturedDuringSystemRunning()表格目录表全速数据传输中的总线状态(部分)表PID类型(部分)表向USB发送数据时的真值表表从USB接收数据时的真值表术语缩写ACK表示肯定应答的握手包AWG由美国线规标准定义的电线截面积测量方法bs比特秒表示传输速率Bs字节秒表示传输速率CRC循环冗余校验EOF帧结尾EOP包结尾LSb最低位LSB最低字节Mbs兆位秒表示传输速率MBs兆字节秒表示传输速率MSb最高位MSB最高字节NAK表示否定应答的握手包NRZI非归零反转编码OTGOnTheGoPID包标识符USB包中的一个字段用于指出包的类型PLL锁相环SIE串行接口引擎SOF帧起始SOP包起始USB通用串行总线UTMIUSB收发模块接口––绪论问题的提出USB是一种新兴的计算机外围通信接口标准近十年来伴随着计算机和数字技术的迅猛发展得到了越来越广泛的应用。USB具有热插拔、即插即用、数据传输可靠、高带宽、扩展方便、成本低廉等优点已成为当前计算机必备的接口并广泛地应用于各种数码产品、计算机外设等大有取代传统串口、并口的趋势。USB的推出使USB总线的传输速率达到Mbs使USB技术得以应用到高保真图像视频传输、大容量数据采集等场合使PC机与这些日益尖端的外设之间有了高性能的连接方式。USBOTG(OnTheGo)使设备与设备之间也可以进行USB通信利用这一技术我们可以将打印机和数码相机直接连接省去了在PC机上交换数据的过程进一步扩展了USB的使用范围。但是USB也存在不可逾越的限制传输距离。USB将单段USB电缆的长度限制在几米对通过集线器多级串联的层数限制在层于是USB最远的传输距离也不过几十米。协议中对传输延时作出了严格规定排除了进一步延长传输距离的可能。实际上进一步延长传输距离的要求是存在的。如果有了长距离的USB传输系统就可以方便、经济地建立起远程控制系统、远程探测系统等实用平台。例如利用USB摄像头、USB麦克风建设小区楼宇电子门禁系统就是一种非常经济实用的方案。在上海交大光纤技术研究所与水下工程研究所联合设计开发的“海洋拖体光纤波分复用传输通信系统”项目中远程USB光纤传输系统的运用大大降低了整个系统的开发成本和设计难度。但国内目前并没有实现USB远程传输的现成产品因此USB光纤传输系统的自主研发是十分迫切的。––设计目标与作者的主要工作光纤传输是一种成熟、高效的远程传输技术。将光纤技术与USB技术相结合使USB的传输距离达到km以上就是本设计的目标。作者在详细阅读、分析、理解USB协议的基础上提出了实现远距离USB全速传输的原理方案完成了FPGA软件编程及仿真设计了系统的硬件电路完成了电路调试工作并对高速传输的设计方案进行了初步的讨论。论文内容结构第章介绍本论文的背景第章介绍USB结构体系、电气规范、信号特性并介绍种传输类型第章分析与本设计直接相关的USB协议介绍包及事务处理的相关概念第章介绍本设计的系统结构及硬件电路设计方案第章介绍FPGA内核模块的设计方案第章介绍系统调试结果及调试、运行过程中所遇到的问题第章简要讨论高速USB远程传输系统的设计第章小结并对下一步工作作出展望。––USB结构体系和电气规范主机和设备USB是一种电缆总线它支持主计算机与许多可同时访问的设备之间进行数据交换。连接在主机上的多个设备之间共享USB带宽主机通过基于令牌的USB协议进行调度。总线允许主机对某个设备进行连接、配置、使用允许设备拔出与此同时并不影响连接在主机上的其他设备的正常工作。一个完整的USB系统必须包括一个惟一的主机和至少一个设备。USB主机任何USB系统都只有一个主机。主计算机系统上提供USB接口称为主机控制器(HostController)。主机控制器可以是硬件、固件或软件的组合。在主机系统上集成有一个根集线器可提供一个或多个连接点。USB主机和USB设备通过主机控制器相互作用。主机担负如下职责:()检测USB设备的插入和拔出()管理主机与USB设备之间的控制流()管理主机与USB设备之间的数据流()收集状态和行为的统计信息()为连接至主机的USB设备供电。主机上的USB系统软件负责管理其与USB设备及基于主机的设备软件之间的相互作用。这一相互作用包括五个方面:()设备枚举和配置()同步数据传输()异步数据传输本文第、章的大部分内容都引用自参考文献、并根据叙述需要重新进行组织编排。––()电源管理()设备和总线管理信息。USB设备USB设备包括两种:()集线器用于为USB提供额外的连接点。每个集线器将单个连接点转换成多个连接点。连接点又称为端口。在主计算机系统上集成有一个根集线器。多个集线器可逐级串联。集线器的每个下行口可以连接到另一个集线器或功能设备。集线器可以检测下行口的连接和拔出而且能向下行设备分配电源。()功能设备用于增加系统的功能。我们常用的闪存盘、USB鼠标、摄像头就属于功能设备。并且它们都是一个独立的外设通过电缆插入集线器的某个端口。实际上可以将多个设备和一个嵌入的集线器封装在一起通过一条USB电缆与上级集线器相连接。这被称为复合设备。每个功能设备都包含描述其性能和所要求资源的配置信息。在使用功能设备之前必须通过主机对它进行配置。配置的过程包括分配USB带宽和选择专用的功能设备配置选项。作为标准的USB接口USB设备应符合以下要求:()符合USB协议()响应标准USB操作如配置和复位()具有标准的功能描述信息。总线拓扑USB物理互连是一个分层的星形拓扑结构。集线器在每个星形的中心。每段线路或者是主机(根集线器)与集线器或功能设备之间或者是集线器与另一集线器或功能设备之间的点对点连接。USB总线拓扑示意图见图。USB协议严格规定了集线器和电缆的传播时间从主机(根集线器)到最后一级功能设备最多支持层的级联。从主机到任何设备之间的通信通路最多支持个非根集线器。一个复合设备将占用层因此不能将它连接在第层。第层只能连接功能设备。––图USB总线拓扑FigUSBBusTopologyUSB电缆USB利用一条线的电缆传输信号和电源如图所示。图USB电缆FigUSBCable––条芯线包括一对双绞的信号线:D+(绿色)D-(白色)。一对信号线上传输差分信号具体参数可参见节。另外一对芯线是电源线非双绞:VBUS(红色)GND(电源地黑色)。电源线可向设备供电。VBUS在源极的标称值是+V。标准的USB电缆应包括如下封装结构:上述电源线对及数据线对并用铝聚酯膜进行内部屏蔽一条镀锡铜排扰线用镀锡铜导线编织的外部屏蔽网PVC外套。如图所示。图典型的高速全速USB电缆结构FigTypicalHighfullspeedCableConstruction单段USB电缆上允许的最大延时是ns因此单段电缆的最大长度不得超过m。考虑到信号衰减的因素一般单段USB电缆的长度不得超过m。用于低速传输的电缆数据线可以不双绞。关于传输速度的介绍可参见节。用于低速传输的电缆可以不施加外部屏蔽。––插锁型连接器协议为了减少使用中的问题USB对连接器做出了规定即“插锁型连接器”协议。这一协议将USB连接器分为插头和插座并分为A系列和B系列通过物理外观上的差异保证了USB的正确连接。B系列连接器还允许厂商提供的可拆卸电缆方便用户根据需要进行电缆的替换。A系列连接器B系列连接器A系列插头通常面向连接主机系统的上行端口A插头(来自USB设备)A插座(来自USB主机或集线器的下行输出)B系列插头通常面向连接USB设备的下行端口B插头(来自主机系统)B插座(上行输入到USB设备或集线器)图插锁型连接器协议FigKeyedConnectorProtocol各种连接器在使用时遵从如下规则:()A系列插头只能与A系列插座互相配对()B系列插头只能与B系列插座互相配对()A系列插座作为主机系统或集线器的输出()A系列插头来自USB设备连接到主机系统或集线器的下行端口()B系列插座作为集线器或设备的输入()B系列插头连接到集线器或者设备。––传输速率USB总线提供了种不同的数据传输速率:()低速数据传输:Mbs()全速数据传输:Mbs()高速数据传输:Mbs。USB协议仅支持低速和高速数据传输而USB协议同时支持上述三种数据传输速率。需要注意的是USB协议仅支持上述三种数据传输速率没有其他的“中间速率”。三种数据传输速率对信号电平包的同步(SYNC)字段、包结尾(EOP)字段的规定互有不同。图低速设备的电缆和电阻连接FigLowspeedDeviceCableandResistorConnections图全速和高速设备的电缆和电阻连接FigHighfullspeedDeviceCableandResistorConnections关于USB包以及同步字段、包结尾字段等USB包结构的详细介绍可参见节。––USB设备在其上游端口处的不同位置装有一个kΩ的上拉电阻用于区分不同的数据传输速率。低速设备的上拉电阻在D-线上而全速和高速设备的上拉电阻在D+线上如图、图所示。高速设备和低速设备通过端口状态寄存器的速度指示位进行区别。高速设备最初是作为全速设备进行连接的。本文主要对全速数据传输的情况进行研究与低速和高速数据传输相关内容的将略去介绍。读者可参考有关资料。信号特性信号线状态表列出了全速数据传输中主要的总线状态其他状态可参考有关资料。表全速数据传输中的总线状态(部分)信号电平总线状态发送端的信源连接器处最终接收端连接器处空闲状态D+>V且D-<V数据J状态D+>V且D-<V(D+)-(D-)>mV数据K状态D->V且D+<V(D-)-(D+)>mV单端(SE)状态D+和D-<VD+和D-<VJ和K数据状态是两个逻辑电平用于在系统中传输差分数据。实际上接收器的空闲状态在逻辑上相当于J状态。数据信号编码USB在发送包时使用NRZI(NoneReturntoZeroInverted反向不归零)数据编码方式。在NRZI编码中数据表示为电平不变而数据表示为电平改变即“逢保持逢反转”。图是一个USB包的波形图其中“SYNC”和“数据信息”域即为NRZI数据编码。由图可见连续的一串反映为电平在每个位时间都发生跳变连续的一串反映为电平在长时间内没有发生变化。––图NRZI数据编码FigNRZIDataEncoding位填充在信号线上的电平长时间保持不变的情况下接受端的同步和判决容易出现错误。为了防止这种情况的发生发送设备在USB上发送包时采用了位填充技术。在数据进行NRZI编码前数据流内每个连续的之后都会插入一个迫使在NRZI编码后出现一个跳变。这样接收器逻辑在每个位时间内至少有一个数据跳变保证数据与时钟锁定。位填充在包的整个数据流中强迫进行不管发生在包的哪个位置。接收器在译码NRZI数据时必须识别填充位并将其丢弃。信号传输顺序USB数据传输的顺序如下:一个字节中的各个位最先发送到总线上的是最低位(LSb)接着是次低位最后发送最高位(MSb)。对于多个字节的数据字段也是按照由最低字节(LSB)到最高字节(MSB)的顺序发送。传输类型为了实现USB的通用性满足多种不同类型的设备的数据通信要求USB协议高速EOP(包结尾)是通过故意产生位填充错误的方法来标示出的。在高速信号传输中接收器将任何位填充错误都看作是EOP。––提供了种数据传输方式即批量传输(BulkTransfer)、控制传输(ControlTransfer)、中断传输(InterruptTransfer)和同步传输(IsochronousTransfer)。批量传输批量传输用于传输大块数据并且数据的传输不要求有周期性也不要求保证一定的数据传输速率。实际上在USB数据传输中有的传输方式要求在一定的周期内保证数据的传输速率如音频数据传输等USB协议称之为周期性传输方式(PeriodicTransfer)而有的传输方式不需要一定的周期传输速率如文件传输等称为非周期性传输方式(NonPeriodicTransfer)。批量传输就是一种非周期性传输方式。批量传输可以占用总线的任何空闲带宽来传输数据但如果总线带宽被某个或某几个周期性传输方式占据时批量传输可以等待。另外它采用数据检错和数据重传等方法保证数据正确到达目的地是一种可靠的数据传输方式。USB低速信号传输不支持批量传输方式。以批量传输方式进行数据传输的功能设备有打印机、扫描仪、硬盘、光驱等。控制传输控制传输是USB协议中惟一传输USB命令函数的传输类型命令函数是由USB主机发起的旨在完成对系统中的USB设备进行系统配置、状态查询和管理等操作。命令的整个完成过程都是以控制传输的方式实现的因此所有的USB设备都必须支持控制传输而且控制传输也必须是一种可靠的数据传输。同批量传输方式一样控制传输也是一种非周期性的数据传输方式不要求一定的总线传输速率但根据它的作用特点控制传输比批量传输要求更优先占用总线带宽。另外为了更方便地完成命令USB设备的控制传输的管道是双向的其他的传输方式的管道则是单向的。中断传输在传统的PC机中键盘的鼠标等方式将它们的变化传递给主机这些设备称为中断驱动的设备每一种中断驱动的设备占用一个中断向量一般来说操作系统为一些常用的设备设定默认的中断向量而且有可能会在系统运行过程中出现一些设备没有中断向量可用的情况。在USB系统中USB主机端的系统软件不必为每一个设备分配中断向量而是通过中断传输的方式接收USB功能设备的事件信息。USB主机给用于中断传输的设备分配一定的总线带宽周期性地通过中断传输接收––此设备的信息达到了与中断方式同样的目的。由于中断传输方式传递的数据量不大低速设备和全速设备都支持中断传输这也是低速设备传输数据的惟一方式。中断传输也是一种可靠的数据传输方式。同步传输为了满足音频、以太网卡等设备对实时数据传输的要求并能接受一定范围内的数据出错率USB协议提供了同步传输方式。同步传输主要用于与时间紧密相关的信息传输时间的信息存在于同步传输的包结构中。它能够保证设备与USB主机之间恒定的数据传输速率确保发送方与接收方的速率能够匹配是一种周期性数据传输方式。为了节省总线带宽提高数据的传输速率保持收发两端的同步同步传输方式省去了数据重传、出错检验等方法是一种不可靠的数据传输方式。关于USB数据传输类型的说明实际上节关于USB数据传输类型的介绍并不属于本章标题“USB结构体系和电气规范”所涵盖的内容。但由于本节所涉及的概念在本文所介绍的系统的设计中得到具体的应用因此在第章末尾进行简要介绍。为了说明本节内容和第、章其他部分的关系在这里简要介绍一下USB的分层体系结构。USB分层体系结构如图所示整个体系共分三层自底向上依次是:USB总线接口层USB设备层和功能层。USB有个重要的应用领域USB物理设备、客户软件、USB系统软件和USB主机控制器其中USB物理设备又分为USB总线接口、USB逻辑设备和功能设备三层。USB主机控制器与物理设备上的USB总线接口通过USB电缆进行通信它们位于USB总线接口层。USB系统软件和USB逻辑设备上的端点通过管道进行逻辑通信它们位于USB设备层。客户软件和功能设备上的接口通过管道束进行通信它们位于功能层。四种USB传输类型的概念应用于USB分层体系的中间一层USB设备层。而第、章其他部分包括对物理接口、信号特性、USB包、事务处理等相关概念的介绍都是USB协议针对底层USB总线接口层的规定。传输类型是端点的一种属性。它并不能从对USB波形电平的分析上直接看出而是在设备连入USB系统不久的配置阶段由主机向设备发出获取端点描述符的请求后在设备在其对主机的响应中包含的。––图USB分层体系结构FigUSBImplementationAreasandHostDeviceDetailedView––USB协议分析USB传输的基本单元包包(Packet)是USB总线上信息传输的基本单元所有数据都是经过打包后进行传输的。包的组成字段每个USB包都由不同的字段(Field)按一定次序连接组成。一个完整的USB包包括个字段:同步(SYNC)字段包标识符(PID)字段数据字段循环冗余校验(CRC)字段包结尾(EOP)。如图所示。一个最简单的包必须包括SYNC、PID、EOP三个字段数据字段和CRC字段只存在于一部分令牌包和DATA包中而在握手包中不出现。bitbit~bytebitbit~位时间同步字段SYNC包标识符字段PID数据字段循环冗余校验字段CRC包结尾EOP图USB包的结构FigUSBPacketStructure.同步(SYNC)字段任何类型的USB包都必须以同步字段作为起始。同步字段用于数据包的位同步由个数据位组成其信息状态为KJKJKJKK编码为以产生最大边缘转换密度的编码序列如图所示。字段里的最后两个位是同步字段结束的记高速数据传输中各字段长度与图中所示有所不同本文不再详述请读者参阅有关资料。

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