一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统及方法技术方案

一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统及方法，系统包括脉冲信号捕获与接口转换模块、USB驱动模块和API函数模块；脉冲信号捕获与接口转换模块用于捕捉周期性脉冲信号，随后产生上位机能够识别的USB中断协议包；USB驱动模块和API函数模块装配在计算设备上，USB驱动模块用于接受并处理USB中断协议包；所述API函数模块用于提供中断处理函数接口，当USB驱动模块接收到USB中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序。本发明专利技术主要用于计算设备与外部设备进行高精度周期性脉冲同步的场合，提升不同设备间频率同步精度，保证同步误差精度达到100微秒量级，满足kHz以上频率同步应用需求，并在接口上具备较强通用性。

A pulse signal synchronization system and method for USB interface

A pulse signal synchronization system and method for USB interface is proposed, which includes pulse signal acquisition and interface conversion module, USB drive module and API function module; pulse signal acquisition and interface conversion module is used to capture periodic pulse signal, and then generates USB interrupt protocol package which can be recognized by the host computer; USB drive module The block and API function module are assembled on the computer, and the USB driver module is used to accept and process the USB interrupt protocol package. The API function module is used to provide the interrupt processing function interface. When the USB driver module receives the USB interrupt protocol package, it runs the API function module to start the user-defined interrupt processing program. The invention is mainly used for the occasion of high precision periodic pulse synchronization between computing equipment and external equipment, improving the frequency synchronization accuracy between different equipment, ensuring the synchronization error accuracy to reach 100 microseconds, meeting the application requirements of frequency synchronization above kHz, and having strong versatility on the interface.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统及方法
本专利技术属于时频同步
，具体涉及一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统及方法。
技术介绍
高精度信息系统中，前端执行设备与对应的计算设备有着分离设计的趋势，然而在使用过程中，两者仍需要维持频率一致。执行设备直接处理模拟量的脉冲信号，而通用计算设备往往不能直接处理模拟量脉冲信号。比如设备需要服务器进行周期性数据解算，并根据结果进行炮口朝向的调整。服务器执行解算任务的频率与炮口调整的频率必须一致，才能满足打击精度的要求。在高精度信息系统中，往往要求频率一致的设备间的同步误差在1ms以下。为了实现执行设备与通用计算设备间高精度的频率同步，时间统一设备需提供高度同步的周期性脉冲信号作为频率基准，各设备接收该脉冲信号并进行响应。为了实现高精度同步频率，各设备需要能够快速接收脉冲信号，降低接收延时。在高精度信息系统中，大部分前端执行设备能直接将模拟脉冲信号作为中断信号进行响应，能够保证很低的接收延时。然而通用计算设备往往无法直接处理模拟脉冲信号，需要设计特定的接口对脉冲信号进行处理。目前世面上暂无USB接口处理、上位机调用方式来解决模拟量脉冲同步问题的相关成果及应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有执行设备与通用计算设备间时频同步存在的上述不足，提供一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统及方法，主要用于通用计算设备与外部设备进行高精度周期性脉冲同步的应用场合，提升不同设备间频率同步精度，保证同步误差精度达到100微秒量级，满足kHz以上频率同步应用需求，并在接口上具备较强通用性。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统，用于计算设备与外部设备进行高精度周期性脉冲同步的场合，包括脉冲信号捕获与接口转换模块、USB驱动模块和API函数模块；所述脉冲信号捕获与接口转换模块用于捕捉周期性脉冲信号，随后产生上位机能够识别的USB中断协议包(将周期性脉冲信号转化为USB中断协议包)；所述USB驱动模块和API函数模块装配在计算设备上，USB驱动模块用于接受并处理USB中断协议包；所述API函数模块用于提供中断处理函数接口，当USB驱动模块接收到USB中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序。按上述方案，所述脉冲信号捕获与接口转换模块包括模拟信号电平转换芯片、光电隔离芯片、主控制器、USB接口保护芯片和DC-DC稳压芯片；所述模拟信号电平转换电路用于将模拟电平转化为数字电平；所述光电隔离芯片用于将USB接口和模拟信号电平转换芯片完全光电隔离，隔离输入的模拟信号与输出的USB接口信号(防止串扰)；所述主控制器用于对周期性脉冲信号进行学习预测，捕获脉冲信号并输出USB中断协议包；所述USB接口保护芯片为HID设备，采用静电防护设计，防止瞬间高压冲击，兼容USB2.0协议标准；所述DC-DC稳压芯片用于将5V电源转化成芯片工作电源。本专利技术还提供了一种上述适用于USB接口的脉冲信号同步系统的同步方法，包括如下步骤：S1、将同频同相的周期性脉冲信号同时发往计算设备与外部设备，外部设备直接处理周期性脉冲信号；S2、装配在计算设备上的脉冲信号捕获与接口转换模块将周期性脉冲信号转化为USB中断协议包被上位机读取；S3、当USB驱动模块接收到USB中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序，USB中断报文延时发送，USB中断报文与下一个脉冲上升沿保持同步；使得计算设备与外部设备在周期性脉冲信号的驱动下完成频率同步。按上述方案，所述步骤S2中，周期性脉冲信号的捕捉采用学习预测的处理方法，主控制器对输入的周期性脉冲信号进行多个周期的监听，学习出周期性脉冲信号的周期与脉宽并与周期性脉冲信号同步，预测下一个脉冲上升沿到来的时刻，并在该时刻(下一个脉冲上升沿到来的时刻)附近的小窗口内进行脉冲上升沿捕捉(能够显著降低信号毛刺对捕捉精度及可靠性的影响)。按上述方案，所述步骤S3中，假定周期性脉冲信号的频率为f，周期T为1/f，通过主控制器的处理器捕获脉冲上升沿及产生USB中断报文的时间分别为t1与t2，通过主控制器的计数器产生t3的延时，使得USB中断报文与下一个脉冲上升沿对齐，其中t3满足下式：t1+t2+t3＝T。按上述方案，当处理器周期为100MHz时，处理器任务处理时间与计数器计数时间的抖动均小于100ns，因此USB中断报文与下一个脉冲上升沿的同步误差控制在微秒量级。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术解决了信号接收精度问题，USB接口无法直接处理脉冲模拟信号，而需要将其转化为上位机能够读取的USB中断协议包，这样会引入处理延时；由于USB设备的端点模式器的结构决定了中断查询频率最高为1kHz，因此从接收到脉冲信号上升沿到产生USB中断协议包的最短延时无法小于1ms，若要满足频率同步精度的要求，需要在软硬件上加以处理，因此本专利技术将周期性脉冲模拟信号转化为计算设备能够读取的形式，被计算设备调用，同时保证同步精度；如控制服务器与前端设备进行每秒200次以上、同步误差小于1毫秒的周期性同步；2、解决了接口适用性问题，通用计算设备逐步通用化，接口标准化，大部分服务器与计算机对外串口通信都通过USB接口完成，特别对于空间要求较高的刀片服务器，往往不具备RS-232或RS-422等串口资源，为了满足计算设备通用性的要求，本专利技术脉冲信号同步方法能适配USB接口，可推广至采用其他接口标准的频率同步设计中；3、本专利技术实现USB接口设备与模拟量设备间的高精度频率同步，用以解决通用计算服务设备与传感器等前端设备间的频率同步问题；适用于采用标准化的商用硬件设备，不更改硬件设计达到时频统一效果，降低实际应用对硬件的依赖性，提升便捷性、灵活性。附图说明图1为本专利技术适用于USB接口的脉冲信号同步系统的结构图；图2为本专利技术实施例脉冲信号捕获与接口转换模块具体实施示意图；图3为本专利技术实施例适用于USB接口的脉冲信号的高精度同步处理方式示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，同频同相的周期性脉冲信号同时发往计算设备与外部设备，两者在周期性脉冲信号的驱动下完成频率同步。外部设备能够直接处理周期性脉冲信号，而计算设备需要将周期性脉冲信号转化为USB中断协议包被上位机读取。因此本专利技术所述的适用于USB接口的脉冲信号同步系统主要应用于计算设备，包括脉冲信号捕获与接口转换模块、USB驱动模块和API函数模块。其中脉冲信号捕获与接口转换模块为硬件电路用来捕捉周期性脉冲上升沿信号，随后产生上位机能够识别的USB中断协议包，选用USB中断的目的是让上位机能够优先响应脉冲信号，降低系统延时误差。在计算设备上装配USB驱动模块与API函数模块，其中USB驱动模块能够接受并处理USB中断协议包，API函数模块提供中断处理函数接口，当USB驱动模块接收到中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序。脉冲信号捕获与接口转换模块将周期性脉冲信号转化为USB中断协议包，脉冲信号捕获与接口转换模块设计基于学习预测，包括模拟信号电平转换芯片、光电隔离芯片、主控制器、USB接口保护芯片和DC-DC稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统，其特征在于，用于计算设备与外部设备进行高精度周期性脉冲同步的场合，包括脉冲信号捕获与接口转换模块、USB驱动模块和API函数模块；所述脉冲信号捕获与接口转换模块用于捕捉周期性脉冲信号，随后产生上位机能够识别的USB中断协议包；所述USB驱动模块和API函数模块装配在计算设备上，USB驱动模块用于接受并处理USB中断协议包；所述API函数模块用于提供中断处理函数接口，当USB驱动模块接收到USB中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序。

【技术特征摘要】
1.一种适用于USB接口的脉冲信号同步系统，其特征在于，用于计算设备与外部设备进行高精度周期性脉冲同步的场合，包括脉冲信号捕获与接口转换模块、USB驱动模块和API函数模块；所述脉冲信号捕获与接口转换模块用于捕捉周期性脉冲信号，随后产生上位机能够识别的USB中断协议包；所述USB驱动模块和API函数模块装配在计算设备上，USB驱动模块用于接受并处理USB中断协议包；所述API函数模块用于提供中断处理函数接口，当USB驱动模块接收到USB中断协议包后，运行API函数模块，启动用户定义的中断处理程序。2.如权利要求1所述的适用于USB接口的脉冲信号同步系统，其特征在于，所述脉冲信号捕获与接口转换模块包括模拟信号电平转换芯片、光电隔离芯片、主控制器、USB接口保护芯片和DC-DC稳压芯片；所述模拟信号电平转换电路用于将模拟电平转化为数字电平；所述光电隔离芯片用于将USB接口和模拟信号电平转换芯片完全光电隔离，隔离输入的模拟信号与输出的USB接口信号；所述主控制器用于对周期性脉冲信号进行学习预测，捕获脉冲信号并输出USB中断协议包；所述USB接口保护芯片为HID设备，采用静电防护设计，防止瞬间高压冲击，兼容USB2.0协议标准；所述DC-DC稳压芯片用于将5V电源转化成芯片工作电源。3.一种如权利要求1～2所述的适用于USB接口的脉冲信号同步系统的同步方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将同频同相的周期性脉冲信号同时发往计算设备与外部设...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖俊东，罗威，李家志，秦克，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42