[发明专利]同步和计时方法及设备

说明书

相关申请

本申请基于2008年8月21日提交的美国专利申请No.61/090,638并要求该专利申请的申请日的权益，该提交的专利申请的内容被作为参考而整体合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于提供基于微控制器的同步和计时系统的方法和设备，尤其是用于在本地或分布式环境中提供测试和测量装置、仪器接口和过程控制装置的经调谐的时钟、数据获取以及自动化及控制，以及提供基本上任意程度的所述时钟的同步，但并不排除用于其它情况。

背景技术

USB规范是为了便于来自不同供应商的装置在开放式体系结构中的交互。使用差分信号(也就是以传送信息的两根导线的信号电平之间的差的形式)对USB数据进行编码。USB规范是为了增强跨接便携式、台式和家庭环境的PC体系结构。

USB规范假设多个装置不同。对于来自多个厂商的装置被连接的环境而言正是如此，但也存在其它环境(诸如某些公共工业或实验室环境)，这些环境需要用于以同步方式操作多个相似性质的装置的规范。而USB规范不能有效地解决这种问题。这些环境通常是执行测试、测量或监控的环境，并且需要以比所规定的精度更高的精度来使装置同步。USB规范通过给所有装置提供1kHz时钟信号来允许有限的装置间同步。然而，许多实验室和工业环境需要兆赫频率或者更高频率的同步。

USB采用层次化星型拓扑结构，其中集线器提供USB装置的连接点。位于用户的个人计算机(PC)、笔记本或个人数字助理(PDA)上的USB主机控制器包括根集线器，该根集线器是系统中所有USB端口的起点。根集线器提供多个USB端口，USB功能装置或附加集线器可连接至该多个USB端口。

反过来，可以将更多集线器(诸如USB复合装置)连接到这些端口中的任何端口上，所述集线器然后经由端口为更多的USB装置提供另外的连接点。这样，USB最多允许连接127个装置(包括集线器)，具有任何装置最多可以处于第五级纵深的限制。

主机中的根集线器每1ms将帧起始(SOF)信号包发送给每个装置，两个SOF包之间的时间被称为帧。由于USB拓扑结构中固有的电子延迟，每个模块会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装置和处于底下第五级的装置处的信号接收之间有明显的时间延迟(规定为≤380ns)。当需要以兆赫或者更高频率来同步装置时，这是严重的限制。而且USB规范允许主机控制器多达5个连续SOF令牌传送不成功。

通过两种类型的USB传输(中断的和等时的)，能够进行USB主机和USB装置之间的当前同步。中断传输允许装置的有保证的轮询频率具有125μs的最小周期，而等时传输保证恒定的传输率。两种方法都需要在装置和主机之间有用于进行同步的流量(traffic)，从而同步的程度越高，所占用的带宽越大。不幸的是，这意味着可用的USB带宽可能会在连接最大数量的装置之前被用完。这种方式还给主机添加了通过软件方式来保持127个装置与主机同步的较大的计算负担，依旧不能解决保持装置之间的同步性，因为对于主机而言，单个装置表示单独的进程。

包含一些种类的物理换能器(诸如激光二极管或光电探测器)的装置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的装置可以使用时钟信号来以规则的时间间隔或以恒定的频率执行换能器功能。触发信号通常被用来在设定的时间开始或结束一个操作。例如，在激光二极管中，触发信号可以被用来开启或关闭调制光输出。

假如时钟和触发信号对所有装置均是公共的且同时发生的，这些时钟和触发信号可以被用于使多个装置彼此同步(从而构成下面被称为“同步信息”的信息)。“共同的”和“同时发生的”在此表示装置之间在这些信号的时刻的变化小于特定量δt。例如，在激光二极管中，这能够使多个激光二极管以一个频率调制其光输出。所有装置的调制频率将是相同的，并且其波形是同相的。当前的USB规范(版本2.0)允许δt达到0.35μs。对于具有1MHz频率和1.0μs周期的信号，该延迟表示几乎半个周期。从而，对于常规使用而言，这不能用作同步信息。