[发明专利]通用串行总线数据采集中减小触发延迟的方法与系统

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请基于并要求享有2007年5月15日提交的60/938,136号美国申请的优先权，将其全部内容通过引用并入此处。 

技术领域

本发明涉及用于降低通用串行总线数据采集中的触发延迟的方法与系统，具体涉及但绝不仅限于提供同步与定时系统以及时钟的应用场合；在测试和测量设备、仪表界面以及过程控制设备的数据采集和自动化以及控制中的应用；并具体涉及在本地环境或分布式机制中使这些设备在基本上任意的程度上同步的应用场合。 

背景技术

USB标准旨在以开放式架构便于诸如来自不同厂商的设备进行互操作。USB数据使用差分信号进行编码(即两条导线传输信息)，差分信号表现为这两条导线的信号电平之间的差异。USB标准的目的是对便携式、台式以及家用环境中的PC架构进行增强。 

USB标准假设多个设备是不同的。对于其中连接有来自多个制造商的设备的目标环境而言来说的确如此，但存在其它一些环境(诸如一些常见的工业或实验室环境)，这些环境需要以同步的方式操作具有相似性质的多个设备的标准。所述标准并不足以解决该问题。这些环境通常是进行测试、测量或监测的环境，它们需要设备被同步到比规定的更精确的程度。通过对所有设备提供1kHz时钟信号，USB标准实现了有限的设备间同步。然而，许多实验室和工业环境需要在兆赫兹及更高的频率上同步。 

USB采用分层式星状拓扑，其中集线器为USB设备提供连接点。位于用户的个人计算机(PC)、膝上型计算机或个人数字助手(PDA)处的USB主机控制器包含根集线器，根集线器是系统中的所有USB端口的起点。 根集线器提供了许多USB端口，所述USB端口可连接有USB功能设备或其它的集线器。 

依次地，可将更多集线器(诸如USB组合设备)连接到这些端口中的任何一个，于是通过这些端口为更多的USB设备提供了另外的连接点。这样，尽管没有设备可以有多于五级的连接，USB最多允许连接127个设备(包括集线器)。 

主机中的根集线器每1ms将帧开始(SOF)信号包传送到每个设备，两个SOF包之间的时间称为帧。由于USB拓扑中不可避免的信号传输延迟，每个模块在不同时刻接收该SOF包。该拓扑意味着当接收相同的信号时，直接连接于主机控制器的设备与五级以下的设备之间可能存在显著的时间延迟(规定为≤380ns)。当需要在兆赫兹及更高水平使设备同步时，这是严格的限制。而且，USB标准允许主机控制器有多达五个连续的SOF令牌(token)传送失败。 

在一种现有方法中，通过两种类型的USB传输，即通过中断与同步，可以实现USB主机和USB设备之间的同步。中断传输以125μs的最小周期提供有保障的设备的轮询频率，而同步传输确保恒定的传输速率。两种方法都要求设备与主机之间存在通信以用于产生同步，并因此保留更多带宽用于更高程度的同步。然而，这意味着在连接最大数目的设备之前，可用的USB带宽可能便已用尽。该方法还对主机施加了用软件使127个设备与主机同步的计算负担，且仍不能使各个设备之间与主机保持同步，所述各个设备是代表独立处理的单个设备。 

包含诸如激光二极管或光电探测器的物理传感器的设备可能需要时钟和触发信息。例如具有1MHz调制光输出的激光二极管的设备，可能使用时钟信号以规定的间隔或以恒定的频率完成传感器功能。触发信号通常用于在设定的时刻启动或结束操作。在激光二极管的例子中，触发信号可用于开启或关闭已调制的光输出。 

假设所述时钟和触发信号对于所有设备是公共的并是同时的，则这些时钟和触发信号可用于使多个设备彼此同步(并因此构成以下所谓的“同步信息”)。“公共”和“同时”在此意味着设备之间的这些信号的 时间的变化少于指定量δt。在激光二极管的例子中，这将使得多个激光二极管以一个频率调制其光输出。所有设备的调制频率将会相同，且其波形将会同相。现行USB标准(即2.0)允许δt最多为0.35μs。对于频率为1MHz且周期为1.0μs的信号，该延迟表现为几乎半个周期。因此所述时钟和触发信息不能用作常规使用的同步信息。