[发明专利]基于USB的同步和定时系统

说明书

本申请是申请日为2008年5月12日、申请号为200880007208.9（PCT/AU2008/000663）且名称为“基于USB的同步和定时系统”的发明的分案申请。

相关申请

本申请基于2007年5月15日提交的美国申请No.60/938,148，并要求其提交日的权益，所提交的该申请的内容，通过引用被整体合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于提供基于通用串行总线（USB）的同步和定时系统的方法和装置，该系统特别地但决不排他地用于在本地环境中或在分布式方案中，提供在必要的任意程度上同步的测试和测量设备、仪器接口和过程控制设备的时钟、数据采集以及自动化和控制。

背景技术

USB规范旨在促进来自不同厂商的设备在开放架构下的互操。使用差分信令（即两条导线传输该信息）编码USB数据，所述差分信令采用这两条导线的信号电平之间的差的形式。USB规范旨在作为对PC架构、跨越便携的、台式和家用环境的增强。

USB规范假定设备是不同的。这对于其中连接来自多个制造商的设备的指定环境而言的确如此，但是还存在需要用于以同步方式操作具有相似特性的多个设备的规范的其它环境（例如某种共同的工业或实验室环境）。该规范并未充分解决这个问题。这样的环境通常是其中进行测试、测量或监控并需要设备被同步到比所指定程度更准确的环境。USB规范通过向所有设备提供1KHz时钟信号而允许有限的设备间同步。然而，很多实验室和工业环境需要在兆赫兹频率或更高频率下的同步。

USB采用分层的星型拓扑，其中集线器为USB设备提供附接点。位于用户的个人电脑（PC）、膝上型电脑或个人数字助理（PDA）上的USB主机控制器包含根集线器，该根集线器为系统中所有USB端口的源。所述根集线器提供若干个USB端口，USB功能设备或附加集线器可连接至这些USB端口。

依次，人们可将更多的集线器（例如USB复合设备），附接至这些端口中的任一端口，然后，这些集线器经由用于另外的USB设备的端口提供外加的附接点。以这种方式，USB允许最多连接127个设备（包括集线器），限制是任何设备最多可达五级深。

主机中的根集线器每1ms向每个设备发送一个帧开始（SOF）信号包，两个SOF包之间的时间被称为一帧。由于USB拓扑中固有的电延迟，所以每个模块在不同的时间接收该SOF包，这意味着，在直接连接到主机控制器的设备处与在五级下的设备处的信号接收之间具有显著的时延（规定为≤380ns）。当想以兆赫兹及以上的水平使设备同步时，这是一个严重的限制。此外，USB规范使得主机控制器不能发送多达五个连续的SOF令牌。

通过两种类型的USB传输：中断（Interrupt）和等时(Isochronous)，当前在USB主机与USB设备之间进行同步是可能的。中断传输允许保证设备具有最小周期为125μs的轮询频率，而等时传输保证恒定的传输速率。这两种方法都需要在设备与主机之间存在业务（traffic）以进行同步，从而为更高程度的同步预留了更多带宽。不幸的是，这意味着在已连接最大数量的设备之前就可能用尽可用的USB带宽。这种方法也向主机设置了使127个设备通过软件保持与主机同步的巨大计算负担，但仍旧未能解决维持设备之间的同步性问题，因为对于主机来说，单独的设备表示分离的过程。

包含某种物理换能器的设备，例如激光二极管或光电探测器，可能需要时钟和触发信息。诸如具有1MHz的调制光输出的激光二极管之类的设备，可使用时钟信号以按规则的间隔或恒定的频率执行换能器功能。触发信号通常用于在设定时间启动或结束操作。在激光二极管示例中，触发信号可用于接通或关断调制光输出。

这些时钟和触发信号可用于使多个设备彼此同步（由此构成下面称作的“同步信息”），只要这些时钟和触发信号对于所有设备是共用的且是同时的。在这里“共用的”和“同时的”意味着这些信号在这些设备之间在时间上的变化小于规定量δt。在激光二极管示例中，这将使多个激光二极管能够将它们的光输出调制在一个频率。所有设备的调制频率将是相同的，并且它们的波形将是同相的。当前的USB规范（即2.0）容许长至0.35μs的δt。对于频率为1MHz和周期为1.0μS的信号，该延迟表示该周期的几乎一半。因此它不能用作例行使用的同步信息。