分布式同步和定时系统技术方案

一种用于控制ＵＳＢ装置的本地时钟的相位和频率的方法和设备，所述设备包括：用于观察ＵＳＢ通信流和从所述ＵＳＢ通信流中解码周期性数据结构的电路，所述周期性数据结构包含有关分布式时钟的频率和相位的信息；以及用于接收所述周期性数据结构并且根据至少所述周期性数据结构产生本地时钟信号的电路，所述本地时钟信号在频率和相位上被锁定到所述周期性数据结构。用于接收所述周期性数据结构和产生所述本地时钟信号的电路能够产生频率是所述周期性数据结构的频率的非整数倍的本地时钟信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请基于2006年2月15日提交的第60/773,537号美国申请，并要求其提交日的权益，其内容通过引用而整体包含于此。
本专利技术涉及一种用于提供分布式同步和定时系统的方法和设备，具体地但是决不是排他性地，用于提供在必要的任意程度上同步的、测试和测量设备、仪器接口和处理控制设备的时钟、数据采集和控制。
技术介绍
USB规范旨在以开放的架构促进来自不同厂商的装置的互连。通过利用以传送信息的两条导线的信号电平之间的差的形式的差动信令(即所述两条导线)来编码USB数据。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规范假定各种装置是不同的。这对于其中连接来自多个制造商的装置的指定环境是成立的，但是还存在其他的环境(如特定的普通工业或者实验室环境)，其中要求用于以同步的方式来操作具有相似特性的多个装置的规范。上述规范不足以解决这个问题。这样的环境通常是其中执行测试、测量或者监视、并且要求使装置以比规定的程度更准确地程度而同步的环境。通过向所有的装置提供1kHz的时钟信号，USB规范允许装置之间的有限的同步。但是，很多实验室和工业环境要求在兆赫兹频率和更高频率下的同步。USB使用分层的星型拓扑，其中，集线器为USB装置提供附接点。位于用户的个人计算机(PC)、便携式计算机或者个人数字助理(PDA)上的USB主机控制器包含根集线器，该根集线器是在系统内所有USB端口的源。所述根集线器提供多个USB端口，USB功能装置或者附加的集线器可以附接到所述多个USB端口。-->另外，可以将多个集线器(如USB复合装置)附接到这些端口中的任何一个端口，这些端口又经由用于另外的USB装置的端口而提供另外的附接点。以这种方式，USB允许最多127个装置(包括集线器)互连，其中限制是任何装置最多可以有5级深。主机内的根集线器每毫秒向每个装置发送一个帧开始(SOF)信号包，两个SOF包之间的时间称为帧。每个模块在不同的时间接收该SOF包，从而允许USB拓扑内固有的电延迟。所述拓扑意味着：对于接收相同的信号，在直接连接到主机控制器的装置与低5级的装置之间可能有相当大的时延(规定为≤380ns)。当需要在兆赫兹等级和更高频率等级同步装置时，这是一个严重的限制。而且，USB规范使得主机控制器不能发送多达5个的连续SOF令牌。通过两种类型的USB传输(即中断和等时)，当前可以在USB主机和USB装置之间进行同步。中断传输允许保证装置的最小周期为125微秒的轮询频率，而等时传输保证不变的传输速率。这两种方法均要求在装置和主机之间有通信流用于进行同步，并因此保留更多带宽用于更高程度的同步。不幸的是，这意味着在连接最大数量的装置之前就会用完可用的USB带宽。这种方法还在主机上设置了通过软件使127个装置保持与主机同步的巨大计算负担，但是仍不能解决保持所述装置之间同步的问题，原因是，对于主机，各个装置代表单独的进程。包含某种物理换能器(如激光二极管或光电检测器)的装置可能需要时钟和触发信息。这样的装置(如具有1MHz的调制光输出的激光二极管)可以使用时钟信号，以便以规则的间隔或以恒定的频率来执行换能器功能。通常使用触发信号以在设定的时间启动或者结束操作。在激光二极管的示例中，可以使用触发信号来接通或者关断调制光输出。这些时钟和触发信号或者信息(以下称为同步信息)可以用于使多个装置彼此同步，只要所述信号对于所有装置是公共的和同时的。‘公共’和‘同时’在此表示这些在所述装置之间的信号在时间上的变化小于规定的量□t。在激光二极管的示例中，这使得多个激光二极管能够将它们的光输出调制在一个频率上。所有装置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)允许高达0.35微秒的δt中的延迟。对于具有1MHz的频率和1.0微秒的周期的信号，这个延迟几乎占所述周期的一半。因此其不能用来被指定为用于例行使用的同步信号。-->诸如集线器和USB控制器芯片等的装置通常使用一定量的锁相，以便解码USB协议。USB协议内的SYNC模式的目的是提供用于另一个电路锁定到的同步模式。但是，这是设计用于将装置与USB比特流同步到足够用来解释MHz比特流的精度。而不是设计用来将两个单独的装置彼此同步到许多测试和测量仪器所要求的精度。USB规范在其处理装置间同步的程度上，主要涉及充分地同步USB-CD音频流使其在USB扬声器对上输出。对这种设置的需求在kHz的范围内，并且对此，USB提供理想的条件。但是，所述规范不能解决同步100个USB扬声器对的潜在问题。如上所述，USB通信在规则的1毫秒帧期间或者(在高速USB规范的情况下)以每1毫秒帧8个微帧来传送数据。帧开始(SOF)包在每个帧的开始被发送到除了低速装置之外的全部装置，并且在每个微帧的开始被发送到所有的高速装置。所述SOF包因此表示被广播到除了低速装置之外的连接到给定的主机控制器的所有装置的周期性低分辨率信号。该SOF包广播以1kHz的标称频率发生。但是，USB规范允许大约为500ppm(百万分率)的很大的频率容限(按照仪器标准)。
技术介绍
使用这种低分辨率频率信号，该信号被广播到每个装置以提供时钟同步，但仅仅是对USB主机控制器提供的一定程度上模糊的频率的时钟同步。第6,343,364号美国专利(Leydier等人)公开了一个对被引导到智能卡读取器的USB业务进行锁频的示例。这个专利披露了与USB SYNC和包ID流相比的本地的、自由运行的时钟；其周期被更新以匹配这个频率，从而产生1.5MHz的标称频率的本地时钟。这提供了足以将智能卡信息读取到主机PC内的同步程度。这种方法涉及智能卡读取器，不能解决装置之间的同步问题。而且，没有公开对1kHz的锁频或更高的稳定性，也没有公开高精度的相位控制。第6,012,115号美国专利和随后的续案第6,226,701号美国专利(Chambers等人)涉及USB SOF周期性以及定时的编号。如这些公开的摘要中所述，该专利技术允许计算机系统通过使用从USB主机控制器向与其连接的外围装置发送的帧开始脉冲来执行对在实时的外围装置内发生预定事件的时刻的精确确定。但是，这些方法不测量用于确定USB主机控制器内的主时钟的绝对频率的包含在USB数据通信流内的周期数据结构的频率，并且在某些情况下，这些方法依赖于在主机内设置附加的计数器。-->第6,092,210号美国专利(Larky等人)公开了一种用于通过使用USB到USB连接装置而连接两个用于数据传送的USB主机的方法，所述USB到USB连接装置用于将本地装置时钟同步到两个USB主机的数据流。使用锁相环来同步本地时钟，并且使用过采样来保证不发生数据丢失。但是，这个文献涉及两个USB主机的数据流的彼此同步(具有有限的精度)，以便能够在所述主机之间进行信息传送。该专利技术没有披露多个USB装置与单个USB主机或者与多个USB主机的同步。USB规范是考虑到音频应用而编写的，并且第5,761,537号美国专利(Sturges等人)描述了如何将两对或者更多对扬声器与各时钟同步，其中一对扬声器在PC中的立体声音频电路外运转，而另一对由USB来控制。因为两个扬声器对使用它们本身的时钟，所以它们需要被同步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制ＵＳＢ装置的本地时钟的相位和频率的设备，所述设备包括：　用于观察ＵＳＢ通信流并从所述ＵＳＢ通信流中解码周期性数据结构的电路，所述周期性数据结构包含有关分布式时钟的频率和相位的信息；以及　用于接收所述周期性数据结构并且根据至少所述周期性数据结构产生本地时钟信号的电路，所述本地时钟信号在频率和相位上均被锁定到所述周期性数据结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-2-15 60/773,5371.一种用于控制USB装置的本地时钟的相位和频率的设备，所述设备包括：用于观察USB通信流并从所述USB通信流中解码周期性数据结构的电路，所述周期性数据结构包含有关分布式时钟的频率和相位的信息；以及用于接收所述周期性数据结构并且根据至少所述周期性数据结构产生本地时钟信号的电路，所述本地时钟信号在频率和相位上均被锁定到所述周期性数据结构。2.根据权利要求1的设备，其中，用于接收所述周期性数据结构并且产生所述本地时钟信号的电路进一步用于接收信息信号，并且根据至少所述周期性数据结构和所述信息信号来产生所述本地时钟信号。3.根据权利要求1的设备，其中，用于接收所述周期性数据结构并产生所述本地时钟信号的电路能够产生频率为所述周期性数据结构的频率的非整数倍的所述本地时钟信号。4.根据权利要求1的设备，其中，用于接收所述周期性数据结构并产生所述本地时钟信号的电路包括相位比较器、受控的振荡器时钟产生器和频率合成电路，所述频率合成电路用于产生任意频率的时钟信号。5.根据权利要求1的设备，其中，所述周期性数据结构包括USB帧开始(SOF)包令牌。6.一种用于控制USB装置的本地时钟的相位和频率的方法，所述方法包括：观察USB通信流；从所述USB通信流中解码周期性数据结构，所述周期性数据结构包含有关分布式时钟的频率和相位的信息；以及根据至少所述周期性数据结构来产生本地时钟信号，所述本地时钟信号在频率和相位上均被锁定到所述周期性数据结构。7.根据权利要求6的方法，包括：根据至少所述周期性数据结构和信息信号来产生所述本地时钟信号。8.根据权利要求6的方法，包括：产生频率为所述周期性数据结构的频率的非整数倍的所述本地时钟信号。9.一种用于产生本地时钟信号的方法，包括：测量在USB数据流内的周期性数据结构的频率。10.根据权利要求9的方法，还包括：根据所述周期性数据结构的所述频率来确定USB主机控制器的时钟速率。11.根据权利要求9的方法，包括：产生频率与所述周期性数据结构的所述频率不同的所述本地时钟信号。12.根据权利要求9的方法，包括：产生频率为所述周期性数据结构的所述频率的非整数倍的所述本地时钟信号。13.一种用于产生本地时钟信号的设备，包括：USB，用来接收USB数据流；基准信号源，用于提供基准信号；以及定时电路，用于将所述USB数据流内的周期性数据结构与所述基准信号相比较，并确定所述周期性数据结构的频率。14.根据权利要求13的设备，还包括：USB总线连接器，用于连接到所述USB，并且用于向所述USB发送所述USB数据流。15.根据权利要求13的设备，其中，所述设备是USB装置。16.根据权利要求13的设备，其中，所述设备用来测量在多个装置中的仅一个装置中的所述周期性数据结构的所述频率，并且向其他装置发送信号以相应地控制所述其他装置的本地时钟。17.根据权利要求13的设备，其中，所述基准信号源包括外部基准信号源。18.根据权利要求17的设备，其中，外部基准信号源包括用于连接到外部基准时钟的连接器，其中，所述外部基准时钟是精确频率基准、全球定位系统(GPS)时间服务器或者IEEE-1588时间服务器。19.根据权利要求13的设备，还包括时间标记锁存器和基准时间标记信号源，其中，所述时间标记锁存器用来对来自所述基准时间标记信号源的数据信号加时间标记，由此所述时间标记信息能够被同步到载波信号的接收。20.根据权利要求19的设备，其中，所述基准时间标记信号源包括用于连接到外部基准时间标记信号源的连接器。21.一种用于产生本地时钟信号的方法，包括：在USB处接收USB数据流；接收基准信号；以及将所述USB数据流内的周期性数据结构与所述基准信号相比较；及确定所述周期性数据结构的频率。22.根据权利要求21的方法，还包括：测量在多个装置中的仅一个装置中的所述周期性数据结构的所述频率，以及向其他装置发送信号以相应地控制所述其他装置的本地时钟。23.一种用于确定USB主机控制器的时钟速率的设备，包括：USB集线器，其能够附接到所述USB主机控制器；基准信号源，用于提供基准信号；以及USB装置，其附接到所述USB集线器，并且具有定时电路，所述定时电路用于比较所述USB数据流内的周期性数据结构与所述基准信号，并且用于确定所述周期性数据结构的频率，由此能够进行对所述时钟速率的估计。24.根据权利要求23的设备，包括附接到所述USB集线器的多个USB装置，每个USB装置具有定时电路，所述定时电路用于比较所述USB数据流内的周期性数据结构与所述基准信号，并且用于确定所述周期性数据结构的所述频率，其中，所述设备能够用于进行对所述时钟速率的相应的估计，并且所述设备还包括数据处理器，该数据处理器用于接收对所述时钟速率的所述估计，并且用于根据所述估计来确定所述USB主机控制器的所述时钟速率。25.一种用于同步多个USB装置的同步USB，所述同步USB包括：外部基准时钟信号，其被提供到所述USB装置中的至少一个USB装置，使得它们每个能够使它们本身同步到所述外部基准时钟信号。26.一种用于同步多个USB装置的方法，包括：向所述USB装置中的至少一个USB装置提供外部基准时钟信号；及所述USB装置使它们本身同步到所述外部基准时钟信号。27.根据权利要求26的方法，包括：同步在多个同步USB上的事件。28.根据权利要求27的方法，包括：在所述多个USB装置上向另外多个USB装置发送信息，使得所述的另外USB装置被触发，以实时地或者按照要求来执行命令或者功能。29.一种用于降低USB中的通信的延迟的方法，包括：监视和解码与USB相关联的上行USB数据通信流；从所述上行信息中提取特定信息包；以及根据所述特定信息包的内容来启动某些动作中的至少一个。30.根据权利要求29的方法，其中，所述动作包括：与一个或多个其他装置进行通信。31.一种具有降低的延迟的USB，包括：具有上行端口的USB装置；以及数据解码器和处理器，用于观察所述上行端口上的USB数据通信流，解码所述USB通信流内存在的数据结构，并且根据所述数据结构的内容来启动至少一个动作。32.根据权利要求31的USB，包括直列式数据交换器，用来将所述USB数据通信流可控制地、同步地从所述上行端口直接引导到下行端口，或者利用来自外部电路的双向数据流。33.一种USB装置，包括：至少一个本地时钟；其中，所述本地时钟被同步到所述USB，由此，所述本地时钟能够被控制到任意精确的频率和相位。34.根据权利要求33的USB装置，包括：同步器，用于将所述本地时钟与USB数据流内包含的载波信号同步，其中，本地时钟的频率和相位的精度不受USB主机控制器时钟的精度的限制。35.根据权利要求34的USB装置，还包括：具有已知频率且在所述USB装置本地的一个或多个频率基准；频率测量器，用于使用所述多个频率基准中的所述频率测量在所述USB装置本地的所述载波信号的频率。36.根据权利要求35的USB装置，还包括信号处理器，用于根据与所述载波信号和所需要的本地时钟信号频率有关的信息、根据所述载波信号来合成所述的同步本地时钟信号。37.根据权利要求36的USB装置，其中，所述同步本地时钟被控制为任意的频率和任意程度的相位。38.一种频率和相位受控的、同步的多信道USB，包括：多个USB装置，其附接到所述USB；在所述多个USB装置中的每个USB装置上的一个或多个本地时钟；以及同步器，用于将所述本地时钟与USB数据流内包含的载波信号同步；其中，本地时钟的频率和相位的精度不受USB主机控制器时钟的精度限制，使得所述USB装置能够被控制到任意精确的频率和相位。39.根据权利要求38内的USB，包括：具有已知频率且在所述多个USB装置中的每个USB装置本地的多个频率基准；频率测量器，用于使用所述多个已知频率基准、在所述多个USB装置中的每个USB装置本地测量所述载波信号的频率。40.根据权利要求39的USB，还包括信号处理器，用于根据与所述载波信号和所需要的本地时钟信号频率有关的信息、根据所述载波信号来合成所述的同步本地时钟信号。41.根据权利要求40的USB，还包括：多个同步的USB装置，用于独立地测量所述载波信号的频率，由此获得所述频率的多个确定值；以及数据处理器，其被配置成接收所述频率的所述多个确定值，并且根据所述确定值来确定所述频率。42.根据权利要求41的USB，其中，所述数据处理器被配置成：通过采用至少一种统计技术、根据所述多个确定值来确定所述载波信号的所述频率。43.根据权利要求41的通用串行总线，其中，所述本地时钟被控制为任意的频率和相位。44.一种用于提供频率和相位受控的、同步的多信道USB的方法，包括：观察在多个USB装置中的每个USB装置处的USB通信流；以及将所述USB装置中的每个USB装置的本地时钟信号在频率、相位或者频率和相位两者上锁定到USB数据通信流内包含的周期性载波信号。45.根据权利要求44的方法，包括：USB主机控制器利用已知频率产生所述载波信号；确定所述载波信号的实际频率；对于所述USB装置中的每个USB装置，根据所述载波信号产生在所述相应的USB装置本地的合成本地载波信号，对所述合成本地载波信号进行滤波，以去除所述载波信号内的随机频率噪声；以及将所述相应的USB装置中的每个USB装置的本地时钟锁定到所述合成载波信号。46.根据权利要求45的方法，包括：建立频率稳定性实质上大于所述载波信号的频率稳定性的所述合成本地载波信号。47.根据权利要求45的方法，包括：建立频率噪声电平实质上低于所述载波信号的频率噪声电平的所述合成本地载波信号。48.根据权利要求45的方法，包括：建立频率与所述载波信号的频率基本上相同的所述合成本地载波信号。49.根据权利要求45的方法，包括：建立频率与所述载波信号的频率实质上不同的所述合成本地载波信号。50.根据权利要求45的方法，包括：建立相位与所述载波信号的相位基本上相同的所述合成本地载波信号。51.根据权利要求45的方法，包括：建立相位与所述载波信号的相位基本上不同的所述合成本地载波信号。52.根据权利要求45的方法，其中，通过所述USB装置之一来执行对所述实际载波频率的所述确定，并且所述方法包括：随后向所述USB装置中的所有其他USB装置发送所述实际载波频率。53.根据权利要求45的方法，其中，所述多个USB装置被附接到USB，所述方法还包括：在所述多个USB装置中的每个USB装置本地进行对所述载波信号的频率的多次测量；以及使用至少一种统计技术，根据对所述载波信号频率的所述多次测量来确定所述载波信号的所述频率。54.根据权利要求45的方法，还包括：观察USB通信流；将特定的周期性信号结构定义为所述载波信号；从所述USB通信流中解码所述载波信号；以及测量所述载波信号的频率。55.一种频率和相位受控的、同步的多信道USB，包括：同步的多信道USB；多个USB装置，其耦接到所述同步的多信道USB，每个USB装置具有本地时钟，并且所述本地时钟信号在频率、相位或者频率和相位两者上被锁定到或者能够被锁定到USB数据通信流内包含的周期性载波信号。56.一种用于确定USB主机控制器的时钟速率的方法，包括：观察USB通信流；将特定的周期性信号结构定义为所述载波信号；从所述USB通信流中解码所述载波信号；测量所述载波信号的频率；以及根据所述载波信号的所述频率导出所述主机控制器的所述时钟速率。57.根据权利要求56的方法，包括：使用已知频率的频率基准来测量所述载波信号频率。58.根据权利要求57的方法，其中，所述USB装置包括所述频率基准。59.根据权利要求57的方法，其中，所述频率基准是外部频率基准。60.根据权利要求59的方法，其中，所述外部频率基准包括基准频率产生器。61.根据权利要求60的方法，其中，所述外部频率基准包括同步到全球定位系统基于卫星的导航和定时系统的时钟源。62.根据权利要求59的方法，其中，所述外部频率基准包括同步到以太网上的IEEE-1588精确时间协议的时钟源。63.根据权利要求59的方法，其中，所述外部频率基准包括同步到任何其他时间标准或者协议的时钟源。64.根据权利要求59的方法，还包括：将所述本地时钟在频率和相位上以预定的程度锁定到所述外部基准。65.根据权利要求64的方法，其中，所述锁定采用模拟锁相环架构。66.根据权利要求64的方法，其中，所述锁定采用数字合成。67.根据权利要求64的方法，其中，所述锁定采用模拟锁相环和数字合成技术。68.根据权利要求66的方法，包括：计算终端计数，该终端计数包括所述本地时钟在所述载波信号的连续脉冲之间的周期数；在接收所述载波信号的脉冲的同时，清除时钟计数器寄存器；在对所述时钟计数器寄存器的所述清除发生的同时，产生合成载波信号脉冲；在所述本地时钟的每个周期上递增所述时钟计数器；以及在达到所述终端计数时清除所述时钟计数器寄存器。69.根据权利要求66的方法，包括：计算终端计数，该终端计数包括所述本地时钟在所述载波信号的连续脉冲之间的周期数；在接收到所述载波信号的所述脉冲之一的同时，向时钟计数器寄存...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得格拉哈姆福斯特，亚历克斯库兹内佐夫，米科拉夫拉先科，
申请(专利权)人：菲博比特有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]