CN101401055B - 分布式同步和定时系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

分布式同步和定时系统

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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)。背景技术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，该发明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。该发明没有披露多个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，因此这个文献披露了一种用于不论异步时钟之间的可能的时钟偏移如何而保持音频信号同步的技术。

第10/620,769号美国专利申请公开了一种USB的同步版本，其中，每个装置的本地时钟在给定的USB上被同步到任意的程度。该文献还公开了一种方法和设备，用于向USB内的每个装置提供触发信号，以便可以通过所述触发信号在多个装置上同步地启动某事件。

第6,904,489号美国专利(Zarns)公开了用于远程访问USB装置的方法和系统，其中，请求装置(诸如个人计算机)发出对于USB装置的请求，所述请求被截取和封装、然后通过网络被发送。包由USB主机装置接收，并且所述请求被解封并传送到控制器，以便由USB装置来处理。

图1是一种示例性背景技术的同步USB装置10的示意图，该USB装置10连接到数字USB12、时钟信号和同步总线14，并且包括数字受控换能器16。装置10还包括总线连接器18、数字输入/输出总线接口电路20、微处理器22和同步信道24，所述同步信道24用于向换能器16传送包括触发和时钟信号的同步信息。

装置10通过总线连接器18而连接到数字USB12，数字USB12包含用于USB装置10的USB数据和控制信号；时钟信号和同步总线14提供时钟和同步信号。

第10/620,769号美国专利申请中公开的另一种同步USB装置在图2中被示意性地示出为10’。类似的附图标记已在图1中用于表示类似的元件。在装置10’内，经由总线连接器18，通过解码存在于USB12的数据流内的信息，在同步USB装置10’本地产生了时钟信号。在这个装置内，使用标准的电缆和连接器、通过USB12而提供所有的同步(使得不必使用图1的时钟信号和同步总线14)。同步信道26向数字换能器16提供包括触发和时钟信号的同步信息。

用于在多个USB装置的每个上同步本地时钟的该架构依赖于存在于USB通信流上的周期性数据结构。第10/620,769号美国专利申请的优选实施例实质上将本地时钟在频率和相位上锁定于在USB装置上的SOF包令牌的检测。

图3是第10/620,769号美国专利申请的另一个实施例的示意图。在这个实施例中，同步信道26通过下述方式而工作：当USB信号通信流通过数字输入/输出总线接口电路20(图内未示出)时从USB12检测和提取信息，并且产生本地时钟信号28和本地触发信号30。

本实施例采用电路来观察通过USB的通信流，并且解码所有的SOF包，这导致每1毫秒有一个脉冲。来自受控的振荡器时钟32的本地时钟信号28在相位和频率上被锁定到USB1kHz的SOF包的接收。

这首先要求将来自时钟23的本地高速时钟信号28(例如可以是1MHz)由时钟频率分割器34向下分割为SOF包接收的频率(标称在1kHz)。匹配滤波器36在SOF包到达时发送时钟同步信号38，时钟同步信号38被传送到相位检测器40。相位检测器40经由滤波器42耦接到受控的振荡器时钟32。

本地时钟信号28随后被提供到在USB装置上的换能器电路(即图1和2内的数字换能器16)，从而保证附接到根集线器的所有装置在频率上被锁定到它们接收SOF包令牌的点。

据说该设置能够产生达到任意高频(如几十MHz的时钟频率)的本地时钟信号，由此保证连接到给定USB的每个装置的本地时钟在频率上同步。第10/620,769号美国专利申请还披露了一种用于通过测量从主机到每个装置的信号传播时间并在每个USB装置上提供时钟相位补偿来进一步在相位上同步多个本地时钟的方法和设备。

但是，在第10/620,769号专利申请内描述的方法在其能力上局限于向每个装置提供精确已知的时钟频率。参考图3的上述设置将每个本地时钟的频率锁定到SOF包令牌的接收。通过主机PC上的本地晶振来驱动SOF包产生的速率。这通常是不准确的，并且USB规范在时钟频率及相应的SOF速率上具有很大的容差。USB规范规定主机控制器必须以12MHz±500ppm(百万分率)(即12MHz±0.05％)的速率来发送SOF包。

对于时钟而言，这是很大的容差。例如，标准的晶振具有大约20ppm的中心频率容差，并且在可用的温度范围上具有大约±50ppm的温度稳定性。即使这种容差对于高精度的时钟系统也是不可接受的。对时间要求极高的系统经常要求具有大约5ppm或者更好的中心频率容差和温度稳定性的温度稳定的晶振。

第10/620,769号美国专利申请还披露了一种用于通过下述方式来控制同步USB时钟频率的方法：制造具有精确受控的基准频率的本地时钟的特殊USB主机控制器。因此，这种系统产生具有百万分之几的1kHz的SOF时钟精度的USB数据流。但这种装置成本太高，难以在高度竞争的个人计算机市场上广泛地应用；而且，诸如便携式计算机和PDA(个人数字助理)等的系统没有添加售后USB主机控制器的设置。

第6,226,701号美国专利(Chambers等人)公开了一种用于通过使用多个计数器并且比较自USBSOF包起过去的时间而对USB内的实时事件加时间标记的系统。这种系统要求位于USB装置和USB主机控制器二者内的计数器通过SOF令牌而激活。所述装置内的计数器由外部事件激活，并且由下一个SOF停止。主机控制器内的计数器通过每个SOF而复位并激活。USB主机控制器查询外围装置，所述外围装置向主机控制器传送数据，用于指示(i)已经发生了事件、(ii)第一定时器的帧值的开始之前的时间。USB主机控制器中断主机处理器，并且向其传送与外围装置相关的数据。以这种方式，该文献的系统可以确定从发生外部事件和处理器读取第二定时器起过去的时间，

但是，尽管Chambers等人的系统可以执行基本的事件时间标记，但是其要求USB主机控制器的特定硬件实施方式，因此与一般的USB实施方式是不兼容的。而且，所述系统依赖于主机PC的PC中断特性和实时时钟的相关定时限制。

发明内容

因此，本发明的一个目的是补充USB规范，使得任何数量(高达某个允许的最大值)的USB装置能够以其中本地时钟在相位和频率上都被锁定到精确受控的任意频率的同步和触发方式来工作。

本发明的另一个目的是在补充USB规范的同时保留USB的优点，包括通过分层的星型架构来操作多个装置(当前至多127个装置)的能力、热插拔能力、自举、易于使用、跨操作系统的兼容性以及便携性。

本发明的另一个目的是利用可应用于每个USB的USB主机控制器硬件的一般实施方式来提供对实时系统的事件的高度精确的时间标记。

在第一广义方面，本发明提供了一种用于控制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USB通信流解码周期性数据结构的电路，所述周期性数据结构包含关于分布式时钟的频率和相位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从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。

因此，所述周期性结构用作时钟信息的载波，其本身不构成时钟频率信息。所述时钟可以具有与载波相同的频率，或者根据用于修改载波信号频率的任何数量的附加信号而具有不同的频率。

事实上，可以利用所述周期性结构/载波信号的频率的非整数倍(包括约数)的频率来产生本地时钟信号；在下文描述的本发明的其他方面中也是这样。即，不必利用周期性结构/载波信号的频率的固定倍数的频率来产生本地时钟信号，而是利用基于周期性结构/载波信号的实际频率而计算的频率。例如，如果周期性结构/载波信号的频率是1.01kHz，则按照本发明，可以同步到实质上正好10MHz(而不是整数倍，如10.1MHz)。

用于接收所述周期性数据结构并且产生本地时钟信号的电路还可以用来(诸如从微控制器)接收信息信号，并且至少从周期性数据结构和信息信号产生本地时钟信号。

用于接收周期性数据结构和产生本地时钟信号的电路可以包括相位比较器、受控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。

优选的是，所述周期性数据结构包括USB帧开始(SOF)包令牌。

按照第二广义方面，本发明还提供了一种用于产生本地时钟信号的方法，包括：

测量USB数据流中的周期性数据结构(如SOF包令牌)的频率。

在一个实施例中，所述方法还包括：根据所述周期性数据结构的频率，确定USB主机控制器的时钟速率。

按照该广义的方面，本发明还提供了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(如SOF包令牌)与所述基准信号相比较，并且确定所述周期性数据结构的频率。

因此，在这个方面，可以确定所述周期性数据结构的频率，所述周期性数据结构的频率本身可以用于确定例如USB主机控制器的时钟速率。

所述USB可以无线地接收USB数据流，或者所述设备可以包括USB总线连接器，用于连接到所述USB，并且用于向所述USB发送USB数据流。

所述设备通常是USB装置的形式，但是其也不必是这样的形式。

所述设备可以用来测量多个装置中仅一个装置内的周期性数据结构的频率，并且可以被配置成向其他装置发送信号，以相应地控制它们的本地时钟。

所述基准信号或者频率源(在这个实施例和其他实施例中)可以包括本地基准时钟或者外部基准信号源(如用于连接到外部基准时钟的连接器)。如果在此使用外部基准时钟，则其可以具有任意高的精度，并且可以是例如精确频率基准(如铯钟或者铷钟)、全球定位系统(GPS)时间服务器或者IEEE-1588时间服务器的形式。

所述设备可以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，由此可以将所述时间标记信息同步到所述载波信号的接收。

所述基准时间标记信号源可以包括连接器，用于连接到外部基准时间标记信号源。

在第三广义的方面，本发明提供了一种用于确定USB主机控制器的时钟频率的设备，该设备包括：

USB集线器，其可附接到所述USB主机控制器；

基准信号源，用于提供基准信号；

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，并且确定所述周期性数据结构的频率，以便能够进行对时钟速率的估计。

优选的是，所述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，所述定时电路用于将所述USB数据流内的周期性数据结构与所述基准信号比较，并且用于确定所述周期性数据结构的频率，并且所述设备可用于进行对时钟速率的相应的估计。其中，所述设备还包括数据处理器，用于接收对所述时钟速率的相应的估计，并且用于根据所述估计(如通过对所述估计的统计分析)来确定所述USB主机控制器的时钟速率。

所述设备可以在相应的USB装置内或者在数据处理器内或者其他装置内进行对所述时钟速率的估计。

所述基准信号源可以具有任意高的精度，并且可以是例如公共的全球定位系统(GPS)时间服务器或者与每个USB装置对应的相应GPS时间服务器的形式。

因此，GPS服务器可以提供跨地球的任意精度的基准时钟信号和任意精确的相位精度，但是任何其他的基准时钟信号(优选的是外部提供的)也是适合的。还应当理解，还可以将任何外部的分布基准定时系统(诸如称为IEEE-1588的同步以太网标准)用作用于保证广泛分布的同步USB系统的时钟基准源。

在第四广义的方面，本发明提供了一种同步USB，用于同步多个USB装置，所述同步USB包括：

外部基准时钟信号，其被提供到所述多个USB装置，使得它们每个能够将它们自身同步到外部基准时钟信号(并且通过彼此暗示)。

因此，按照该方面，可以使实质上无限数量的USB装置同步，使得同步USB的同步信道计数能够提高到高于由USB规范实行的127个装置(包括集线器)的当前限制。这使得USB每个能够将它们自身同步到那个外部基准信号。

按照本发明的该方面，提供了一种用于同步多个USB装置的方法，该方法包括：

向所述多个USB装置提供外部基准时钟信号；以及

所述USB装置将它们自身同步到外部基准时钟信号(并且通过彼此暗示)。

所述方法可以包括：同步多个同步USB上的事件。优选的是，所述方法包括：向所述USB装置上的另外的多个USB装置发送信息，使得所述另外的多个USB装置被触发以实时地并如操作员所要求地执行命令或者功能。

因此，按照这种方法，扩展所述装置的数量，并且可以扩展USB在同步的系统内支持的装置的物理分离。USB当前可以支持127个装置(包括集线器)，并且除了极少数例外的情况还被限定于30m的范围。在这个方面，GPS或者IEEE-1588信号(举例而言)可以被用作多个USB的本地定时基准，因此，系统内可以包括实质上无限数量的装置，其中对它们的位置没有限制。因此，可以提供全局同步的系统。

在第五广义的方面，本发明提供了一种用于降低USB(如时间至关重要的应用，包括控制应用)的通信延迟的方法，该方法包括：

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

按照所述特定信息包的内容来启动至少一个动作。

所述特定信息包在受到作用之前可以由本地处理器处理。

在一个实施例中，所述动作包括与一个或多个其他装置(即在所述USB环境之外)通信。该通信可以包括向所述其他装置发送数据。所述数据可以通过任何通信信道来发送，所述信道包括串行通信信道、并行通信信道、有线通信信道、光纤通信系统和无线通信信道。

该方面还提供了一种具有降低的延迟的USB，该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通信流内的数据结构，并且按照所述数据结构的内容来启动至少一个动作。

因此，按照该方面，一种新类型的USB控制装置是可能的，由此降低USB上常见的延迟限制。

在第六广义的方面，本发明提供了一种可同步到同步以太网的同步多信道USB，该USB包括：

USB主机系统；

同步多信道USB；

多个USB装置，耦接到所述USB主机系统，每个USB装置具有本地时钟和绝对时间寄存器；

其中，所述多个USB装置的本地时钟在频率和相位上同步，所述USB装置的绝对时间寄存器通过相应的本地时钟而同步和定时序，并且所述USB包括同步信道，通过该同步信道，可以在所述同步USB和所述同步以太网及用于与所述同步以太网进行数据通信的数据信道之间发送时钟频率和时间标记信息。

所述同步信道可以包括附接到同步USB的一个或多个USB装置、复合USB集线器和USB装置功能或者观察同步USB上的USB数据通信流并且不是所述同步USB的附接部件的装置。

在另一个广义的方面，本发明提供了一种USB装置，该USB装置包括至少一个(并且在某些实施例中为多个)本地时钟，其中，所述本地时钟与USB同步，由此，所述本地时钟可以被控制为任意精确的频率和相位。

所述USB装置可以包括同步器，用于将本地时钟与在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。在这个(和其他)实施例中，所述载波信号可以在USB数据包内包括USB数据OUT令牌、IN令牌、ACK令牌、NAK令牌、STALL令牌、PRE令牌、SOF令牌、DATA0令牌、DATA1令牌或者可编程的比特模式序列。

应当注意，可以根据需要来组合本发明的上述每个方面的各种特征。

另外，可以用各种方式来实施按照本发明的设备。例如，可以用印刷电路上或印刷布线板上、陶瓷衬底上或者半导体级别(即作为单个硅(或其他半导体材料)芯片)的多个部件的形式来构造这样的装置。

附图说明

为了能够更清楚地说明本发明，现在参考附图、通过示例来说明各实施例。在附图中：

图1是一种背景技术的同步USB装置的示意图；

图2是另一种背景技术的同步USB装置的示意图；

图3是背景技术的同步USB电路的细节的示意图；

图4是按照本发明的第一实施例的同步USB装置的示意图；

图5是图4的同步USB装置的同步信道的示意图；

图6是按照本发明的第二实施例的用于使USB同步的装置的示意图；

图7是图6的USB同步装置的定时测量电路的示意图；

图8是按照本发明的第三实施例的USB系统的示意图；

图9是按照本发明的第四实施例的USB系统的示意图；

图10是按照本发明第五实施例的USB定时集线器的示意图；

图11是按照本发明的第六实施例的用于提高USB的同步信道计数的系统的示意图；

图12是按照本发明的第七实施例的同步USB的示意图；

图13是按照图12的实施例的全局同步的USB的示意图；

图14是按照本发明的第八实施例的同步到以太网的USB的示意图；

图15是图14的USB的USB定时集线器的USB以太网同步电路的示意图；

图16是按照本发明的第九实施例的混合USB集线器的示意图，所述混合USB集线器提供了没有通常的USB滞后延迟的控制路径；

图17是图16的同步USB的混合USB集线器的USB监视电路的示意图；

图18A、18B和18C示意性地图解了在图17的USB监视电路内使用、用于向USB数据流内插入有效负荷数据的数据插入交换器和方法；

图19是按照本发明的第十实施例的、同步到以太网的具有混合USB主机控制器的USB的示意图；

图20是图19的实施例的USB的混合USB主机控制器的示意图；

图21是按照本发明的第十一实施例的具有实时概念的USB装置的示意图；

图22是图21的USB装置的实时时钟电路的示意图；

图23是图21的USB装置的时序图；以及

图24是按照本发明的第十二实施例的能够对外部事件精确地加时间标记的USB装置的时序图。

具体实施方式

图4中示意性地将按照本发明的第一实施例的USB装置为50，该USB装置具有USB52。在这个实施例中，将使得USB装置50的本地时钟被频率控制为任意程度的时钟同步信息通过载波信号(下文描述)传送到USB装置，然后从USB数据流中解码所述载波信号。

参见图4，USB装置50包括总线连接器54、数字输入/输出(I/O)总线接口电路56、微控制器58、数字受控的换能器60以及同步器62形式的同步电路(下文将更详细地描述)。数字输入/输出总线接口电路56作为在总线连接器54处检测的USB数据的收发器，其将所述USB数据传送到微控制器58。所述微控制器58向同步器62提供信息64，用于精确的频率合成，并且向数字受控的换能器60提供直接控制信道66。

上述载波信号是周期性数据结构，因此可被用作载波信号；在这个实施例和下述的其他实施例中，该载波信号是SOF包令牌的形式，其提供频率模糊的周期性低分辨率信号，该频率信号被广播到除了低速装置之外的所有连接到给定的主机控制器的装置。所述载波信号一旦从USB通信流中解码出来，则与标度因子(scaling factor)相组合，以产生同步信息，并因而将本地时钟信号与时钟频率的精确控制合成起来。

图5是该实施例的同步器62的详细示意图。同步器62包括匹配过滤器68，用于观察通过总线连接器54的USB通信流、解码上述的周期性载波信号(在这个实施例中是SOF包令牌)并向本地时钟合成电路72发送时钟同步信号70。

使用由微控制器58提供的信息信号76，根据解码的载波信号(即时钟同步信号70)来合成频率精确的本地时钟信号74。在这个实施例中(并且通常地)，本地时钟信号74的频率比时钟同步信号70高几个数量级，并且分频器78将本地时钟信号74向下划分为频率更接近时钟同步信号70的频率的分割信号80。

本地时钟合成电路72按照由微控制器58提供的信息信号76来处理其输入信号(即时钟同步信号70和分割信号80)。结果产生的两个输出信号82和84被传送到相位比较器86。相位比较器86通过滤波器88耦接到受控的振荡器时钟产生器90。

精确的本地时钟信号74然后被用作触发电路的时钟信号，用于产生相位精确的触发信号92。同步器62包括另一个匹配滤波器94，该匹配滤波器94也解码通过USB总线连接器54接收的USB数据，并且在从USB数据流中检测到所需要的触发信号时产生触发使能信号96。所述触发使能信号96被传送到数据锁存器98，该数据锁存器98使用本地频率精确的时钟信号74对所述触发使能信号96计时，使其通过以形成相位精确的触发信号92。

因此，根据该实施例，能够产生在任意高频(如几十兆赫兹的时钟频率)处稳定的时钟信号，其具有几纳秒或者更低的随机抖动，并且具有任意高的频率精度。

如上所述，SOF包广播发生在1kHz的标称频率，但是这个信号的实际频率通过USB主机控制器时钟的精度来确定。根据本发明的第二实施例的USB装置100使用一种通过精确地测量SOF包的频率来确定USB主机控制器的有效时钟速率的方法。这个信号可以被当作与主机控制器时钟速率有关的信息的载波，并且该载波信号被广播到所有连接的USB装置。这样，对嵌入于通常的USB协议中的载波信号进行解码，并测量其频率，以确定USB主机控制器时钟的有效时钟速率。

图6是按照本发明的第二实施例的用于使USB同步的装置100的示意图，该装置100包括用于连接到USB的USB总线连接器102。装置100具有：第一连接器104，用于接收外部基准时钟信号；以及第二连接器106，用于接收外部基准时间标记信号。通过所述连接器，装置100测量SOF包信号(或者载波信号)的频率。装置100包括：USB监视电路108，用于观察USB数据流；微控制器110；定时测量电路112；以及信息总线114(包含模拟和/或数字总线)，用于微控制器110和定时测量电路112之间的通信。

装置100确定SOF包载波信号频率，并且通过暗示来确定USB主机控制器频率，并且可以向微控制器、实际上向主主机PC传送回关于所述频率的信息，但是对于本领域内的技术人员显然的是，这种方法也可以用于非USB装置。例如，这种方法可以应用于仅仅检测和解码USB数据流但不是USB装置的装置。

虽然装置100确定SOF包载波信号频率，但是对于本领域内的技术人员显然的是，用于接收外部基准时钟信号的连接器104和用于接收外部基准时间标记信号的连接器106都可以是双向端口。这样的双向端口可以行外部装置发送时钟和数据信号(包括时间标记信息)并从外部装置接收时钟和数据信号(包括时间标记信息)。另外，对于本领域内的技术人员显然的是，这样的信号可以用于控制外部装置。

图7是定时测量电路112的更详细的示意图。定时测量电路112包括：匹配滤波器116，用于解码USB数据流内的载波同步信号，以输出解码的载波信号118；以及频率测量电路120，其将解码的载波信号118与本地基准信号122相比较。频率测量电路120产生时钟精度信息信号124，用于指示载波信号的绝对时钟精度，并因此指示USB主机控制器的时钟速率。(这个时钟精度信息信号124被传送通过图6的信息总线114)。通过复用器126来提供本地基准信号122，复用器126选择由本地基准时钟130产生的本地基准时钟信号128或者由微控制器110通过信息总线114控制的外部基准信号132(由第一连接器104提供)。

时间标记锁存器134也使用所述解码的载波信号118，所述时间标记锁存器134对从外部时间标记第二连接器106接收的数据信号136加时间标记，并且在138处输出到信息总线114。以这种方式，可以将来自外部源的绝对时间标记信息同步到载波信号的接收。

图8是按照本发明的第三实施例的USB系统140的示意图，其中，具有USB主机控制器144的个人计算机142在USB148处被附接到单个USB装置146。所述USB装置144包含定时测量电路150(根据图7的定时测量电路112)，用于使用内部基准时钟(可与图7的本地基准时钟130比较)在任意程度上测量反复的载波信号的频率。因此，在这个实施例中，通过完全包含在USB装置内的电路(即定时测量电路150)来确定USB主机控制器144的时钟载波信号的绝对频率。而且，对于本领域内的技术人员显然的是，虽然这个实施例包含个人计算机，但是替代的类似实施例可以包括任何装置，诸如包含USB主机控制器或者USB在运行中的控制器的个人数字助理(PDA)或者移动通信装置等。

图9是按照本发明的第四实施例的USB系统160的示意图，其中，具有USB主机控制器164的个人计算机162在USB168处被附接到USB集线器166。USB集线器168提供到多个USB装置170的连接，其中每个USB装置170包含定时测量电路(可与USB系统140的定时测量电路150相比)，用于使用内部基准时钟(可与图7的本地基准时钟130比较)来测量反复的载波信号的频率。每个USB装置170以某个有限的误差来测量载波信号频率。由于所述误差实质上是随机的，因此使用统计分析来分析来自USB装置170的测量值，由此减少在载波信号频率的测量中的整体不确定性。

因此，在这个实施例中，以比使用单个USB装置可获得的精度更高的精度，确定USB主机控制器164的时钟载波信号频率的绝对频率。

图10是按照本发明的第五实施例的USB定时集线器180的示意表示。所述USB定时集线器180具有：上行端口182，用于连接到主机控制器(或者在USB定时集线器180和主机控制器之间的中间上行装置)；多个下行端口184(其提供USB扩展)；外部基准时钟输入端口186和外部基准时间标记输入端口188。

USB上行端口182连接到USB集线器电路190，USB集线器电路190向所述多个下行USB端口184提供USB扩展；所述下行USB端口184之一被引导到内部USB装置192。内部USB装置192经由通信总线196连接到定时测量电路194(可与图6的定时测量电路112相比)。所述定时测量电路194包含内部本地基准时钟(可与图7的本地基准时钟130相比)，并且还从外部基准时钟输入端口186和外部时间标记输入端口188接收信息。所述定时测量电路194还使用USB监视电路198来观察上行端口182上的USB数据通信流，并且使用信号199来解码USB主机控制器时钟载波信号，以测量载波信号频率。

因此，USB定时集线器180包含用于确定USB主机控制器的绝对时钟速率的(参见图7所述的类型的)电路194和常规USB集线器电路190。这样的混合装置提供了USB主机控制器时钟载波信号频率信息和USB的扩展。

按照本发明的第六实施例，可以将USB系统的同步信道计数扩展到超过USB规范所允许的数量(当前是127个装置，其中包括集线器)。这个实施例允许通过向每个USB提供公共的外部基准时钟信号来同步多个分立的USB。所述公共的基准时钟信号然后用于测量每个USB的USB主机控制器时钟载波信号，并且随后用于使用该信息以实质上任意的程度将已知频率合成到连接到任何USB的每个USB装置上的本地时钟上。

图11是按照第六实施例的系统200的示意图，用于提高USB的同步信道计数。其中，多个同步USB以任意的程度同步。所述系统200包括多个个人计算机202，其中每个个人计算机202包含USB主机控制器204。每个个人计算机202连接到(图10的180所描述和图解的类型的)混合USB定时集线器206；每个USB定时集线器206提供多个同步USB208，以允许对多个USB装置210的扩展。外部基准时钟212通过USB定时集线器206向同步USB208提供信号。在一种替代的设置中，系统200省略了USB定时集线器206，并且所述USB装置被配置成直接地接收外部基准时钟信号。但是，使用USB定时集线器206是优选的。

按照本发明的第七实施例，提供了一种同步USB，该同步USB被提供有外部基准时钟信号，该外部基准时钟信号在任意的程度上频率精确和时间标记精确。这些信号允许USB以任意的精度被同步。这个实施例使用外部全局定位系统(GPS)时间服务器作为外部同步基准。通过卫星通信来传送GPS时间服务器基准时钟信号。而且，GPS时间服务器可以实质上在任意位置传送精确到任意程度的绝对时间标记信息，而不论位置如何。

图12是系统220的示意图，其中，USB222被同步到GPS时间服务器224。系统220包括个人计算机226，个人计算机226包含连接到同步USB222的USB主机控制器228，其中，同步时钟频率精确到任意的程度。

个人计算机226的USB端口230连接到USB定时集线器232，USB定时集线器232提供用于附接附加的USB装置236的下行扩展端口234。(图10的180所描述和图解的类型的)USB定时集线器232还具有端口238、240，用于从GPS时间服务器224分别接收基准时钟核心242和时间标记信息244。GPS时间服务器224连接到用于接收GPS时间和位置信息的天线246。

可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，在这个实施例中，可以使用用于提供全局同步的外部基准时钟和时间信号的其他方法。

图13是按照这个实施例的全局同步的USB250的示意图。全局同步的USB250包括位于不同位置252的多个USB；每个USB是图12的222所示的类型，因此，每个USB通过单独的GPS时间服务器而同步。多个GPS时间服务器通过卫星通信提供基准时钟信号，所述基准时钟信号被频率锁定到实质上任意程度。而且，多个GPS时间服务器中的每个服务器在地球上的任何位置精确到任意程度地向它们各自的USB定时集线器提供绝对时间标记信息，而与位置无关。

因此，多个另外的独立USB被同步。这样的系统能够使地球上任何位置的宽泛分布的同步USB精确地同步。通过增加所期望的数量的同步USB(图12的222)，还具有无限的信道计数的能力。

按照本发明的第八实施例，可以将同步USB同步到同步以太网(即按照以太网协议进行内部接收通信的网络)。在这个实施例中，从同步以太网向所述同步USB提供外部信号，所述外部信号包含按照IEEE-1588精确时间协议的定时信息。所述外部信号包含以太网通信路径和精确时间协议路径。以这种方式，可以在USB和以太网系统之间传送数据和定时信息。

图14是同步到以太网264的USB262的示意图260。同步以太网264包含多个待同步的装置266和以太网边界时钟268。所述边界时钟268执行装置之间的以太网连接，并且补偿在传统的以太网交换器和路由器内存在的延迟和定时抖动。同步USB262包括个人计算机270，个人计算机270具有USB主机控制器272，而连接到主机控制器272的是混合USB定时集线器274。USB定时集线器提供到多个USB装置276的连接扩展。USB定时集线器274包括兼容IEEE-1588的端口278，用于向同步以太网264发送数据和定时信息280。

IEEE-1588精确时间协议包含用于确定网络的哪个节点是基于时间的主节点的协议。对于本领域内的技术人员显然的是，同步以太网264的任何节点(即装置266)或者同步USB262可以是依赖于所有装置的时钟的绝对精度的基于时间的主时钟。

图15是图14的USB262中的USB定时集线器274的详细示意图。该混合USB定时集线器274具有：上行端口292，用于连接到主机控制器272(或者在USB定时集线器274和主机控制器272之间的中间上行装置)；多个下行端口294(其提供USB扩展)；以及外部端口278，用于连接到同步以太网。

USB定时集线器274包括USB集线器电路298，USB上行端口292与USB集线器电路298连接，并且USB集线器电路298提供到所述多个下行USB端口294的USB扩展；下行USB端口294之一被引导到内部USB装置300。内部USB装置300经由通信总线304连接到定时测量电路302(可与图6的定时测量电路112相比)。

定时测量电路302还通过USB监视电路306观察上行端口292上的USB数据通信流，并且使用来自USB监视电路306的信号308来解码USB主机控制器时钟载波信号，以测量载波信号频率。定时测量电路302包含内部本地基准时钟(可与图7的本地基准时钟130相比)，并且还通过时钟控制信道312向附加的本地时钟310接收或者发送信息。以这种方式，本地时钟310或者定时测量电路302形式的时钟可以是用于确定载波信号频率的本地主时钟。

USB定时集线器274包括连接到外部端口278的同步以太网控制器314，并且所述同步以太网控制器314提供外部以太网连接，并且支持IEEE-1588精确时间协议。同步以太网控制器314具有数据信道316，用于在外部以太网(图14的264所示)和内部USB装置300之间传输数据。以这种方式，从外部同步以太网264经由同步以太网控制器314和内部USB装置300向个人计算机(图14的270)传送数据。

同步以太网控制器314还包含同步信道318，通过同步信道318，本地时钟310可以被同步到外部以太网264。以这种方式，在同步以太网控制器314和本地时钟310之间传送定时信息，由此使用两个接口的最佳者来实现混合同步USB/以太网系统：以太网提供宽范围的连接，但是提供有限的同步能力，而USB提供本地精确同步网络。

按照本发明的第九实施例，提供了一种USB，该USB提供控制路径，所述控制路径没有USB的通常的滞后延迟(如由Windows(商标)操作系统的通常30ms的线程循环时间所引起的30ms时间帧)。这里，图16是按照这个实施例的混合USB集线器330的示意图，所述USB集线器330提供用于减少USB控制环路延迟的附加的数据路径。所述USB集线器330具有：上行端口332，用于连接到主机控制器(或者在混合USB集线器330和主机控制器之间的中间上行装置)；多个下行端口334(其提供USB扩展)；以及外部控制端口336，用于连接到外部接口、设备或者换能器。

USB集线器330还具有：USB集线器电路338(连接到上行端口332)，其提供到多个下行USB端口334的USB扩展；以及内部USB装置340，下行USB端口334之一被引导到所述内部USB装置340。USB集线器330包括通过通信总线344而相互连接的内部USB装置340和数据解码器和处理器342。

数据解码器和处理器342使用USB监视电路346来观察上行端口302上的USB数据通信流，并且使用结果信号348来解码USB通信。接口350控制数据解码器和处理器342和外部控制端口336之间的通信。接口350可以是以太网接口、串行通信接口(如SPI(串行外围接口)总线、CAN控制器局域网络、ProfiBus、处理现场总线(aProcess Field Bus)或者USB(包括运行中的USB))、并行通信接口(诸如Centronics(商标)并行端口或者IDE(集成驱动电子设备)总线)。而且，外部控制端口336可以提供单端的或者差动的信令，并且可以被适配于任何期望形式的连接，不论所述连接是铜缆、光缆、无线通信信道还是其他方式。

以这种方式，在主机控制器和附接到下行端口334的任何USB装置之间发送的数据可以在USB集线器330内被截取和解释，并且被用来通过外部控制端口336立即控制外部装置。这防止了USB中的常见的通信和控制环路延迟。

对于本领域内的技术人员显然的是，虽然在此所述的本发明的各个实施例包括混合USB集线器，但是USB集线器中不必采用这些技术，而是事实上可以在至少附接到USB以检测USB数据流并且作用于其中包含的信息的的任何装置中使用。

因此，按照本发明的第九实施例的变化形式，提供了一种系统，该系统具有混合USB集线器(可与图16的USB集线器330相比)，所述混合USB集线器具有附加的数据路径，其允许将控制环路响应缩短为任意短的时间。图17是USB监视电路360(可与图16的USB集线器330的USB监视电路346相比)的示意图；USB监视电路360具有：上行端口362，用于连接到总线的主机控制器侧；下行端口364，用于连接到总线的装置侧；USB数据监视端口366，用于发送USB上行端口362上存在的USB数据流的复本；数据交换器控制端口368，用于控制在电路内的内部数据路径；双向数据端口370；以及缓冲电路372。缓冲电路372观察USB数据信号374(其包括在主机控制器和附接装置之间的双向通信)，并且提供其缓冲的复制信号376。所述复制信号376是USB上存在的双向通信的精确的拷贝，在USB数据监视端口366上被发送，并且通常可与图15的信号308相比。

因此，USB监视电路360能够监视所有的USB数据包，并且提供USB数据信号374的缓冲的复制信号376以由外部电路使用。缓冲的复制信号376可以被外部电路用于解码在USB数据内的来自主机控制器的周期性信号结构，以识别包含关于USB主机控制器的时钟速率的信息的载波信号。缓冲的复制信号376还可以用于在来自所有的下行USB装置的信息上行传递到主机控制器时将其解码。以这种方式，可以对来自下行装置的信息采取直接的动作，而不首先要求主机控制器和相关联的操作系统来处理和作用于所述的数据。

USB监视电路360还包括附加电路，用于高级的数据管理、转换和减少USB控制环路延迟；该附加电路包括USB数据交换器378(为了简单在图17中被示出为一对简单的单极交换器，当然事实上USB数据信号是差动的)和用于控制USB数据交换器378的数据控制器电路380。USB数据交换器378包含上行交换器382和下行交换器384，并且被配置成同步地直接将来自上行端口362的USB数据信号374引导到下行端口364(在图17内所示的配置)，或者使用经由双向数据端口370、来自外部电路的双向数据流386。USB数据交换器378访问缓冲的复制信号376，并且通过数据交换器控制端口368来配置数据控制器电路380。以这种方式，USB数据交换器378可以与374处监视的USB数据信号同步地被切换。

USB监视电路360还能够动态地配置其本身以在USB数据流内插入数据。从主机控制器到装置的消息可以被USB监视电路截取和改变。以这种方式，可以配置软件，以对具有已知的数据包大小的特定USB装置提供规则的轮询。有权访问规定的规则轮询的包的大小的USB监视电路可以通过同步地绕过直接连接(即图17内所示的USB数据交换器378的配置)并且向业务的有效负荷字段中插入数据，在业务的有效负荷内插入数据。

图18A描述了用于在378’处下行插入有效负荷数据388的、图17的USB数据交换器378的配置；图18B描述了用于在378”处上行插入有效负荷数据390的、图17的USB数据交换器378的配置。在下行插入数据期间，必须在主机发送业务包头信息的同时如图17的378所示那样初始配置所述交换器，但是所述交换器切换到图18A的配置378’，以插入有效负荷和CRC数据388。对于数据的上行插入，在切换到图18B的配置378”以发送整个上行业务(包括头)之前，所述装置等待，直到它检测到来自主机控制器的轮询请求。应当注意，在切换到图18B的配置378”和插入有效负荷数据390之前，所述装置可以等待上行传递的上行业务包头。

图18C是用于下行数据插入(所述图的上部)和上行数据插入(所述图的下部)的示意性时序图，用于表示USB数据交换器的配置。

按照本发明的第十实施例，提供了一种混合USB主机控制器，该混合USB主机控制器同步到同步以太网，以保证附接的同步USB也同步到同步以太网。从包含定时信息的同步以太网按照IEEE-1588精确时间协议向所述混合USB主机控制器提供外部信号。所述外部信号包含以太网通信路径和精确时间协议路径。以这种方式，可以在混合USB主机控制器和以太网系统之间传输数据和定时信息。

在这个实施例中，所述混合USB主机控制器包含嵌入式微控制器，使得述混合USB主机控制器是不依赖于主个人计算机的独立装置。所述混合USB主机控制器可以包含标准的USB主机控制器、USB在运行中的主机控制器、无线USB主机控制器或者任何其他形式的USB主机控制器。

图19是按照这个实施例的系统400的示意图，系统400包括彼此同步的独立USB402(即包含不要求附接到个人计算机的嵌入式控制器的USB)和以太网404。以太网404通常包含以太网边界时钟406和多个待同步的装置408。边界时钟406执行装置之间的以太网连接，并且补偿在传统的以太网交换器和路由器内存在的延迟和定时抖动。USB402由混合USB主机控制器410和多个USB装置(或者用于进一步扩展的USB集线器)412构成。

在这个实施例中，混合USB控制器410包含嵌入式USB集线器功能，用于提供多个下行扩展端口。混合USB控制器410还包括兼容IEEE-1588的端口414，用于向以太网404传输数据和定时信息416。

图20是图19的混合USB主机控制器410的更详细的示意图。混合USB主机控制器470具有多个下行端口472(其提供USB扩展)、嵌入式控制器474、USB集线器电路478和USB主时钟电路480。控制器474具有嵌入式微控制器482、外部接口电路484和USB主机控制器486。USB主机控制器486连接到USB集线器电路478，所述USB集线器电路478通过时钟总线488向所述多个下行USB端口472和USB主时钟电路480提供USB扩展。

USB主时钟电路480包含内部本地基准时钟490，并且还通过时钟控制信道494接收信息或者向附加的本地时钟492(也是混合USB主机控制器410的一部分，并且具有同步以太网IEEE-1588时钟的形式)发送信息。混合USB主机控制器410还包括同步以太网控制器496，外部端口414与所述同步以太网控制器496连接，并且所述同步以太网控制器496提供外部以太网连接，并支持IEEE-1588精确时间协议。同步以太网控制器496具有数据信道498，用于在外部以太网和嵌入式控制器474的外部接口电路484之间传输数据。因此，通过同步以太网控制器496和嵌入式控制器474在外部同步以太网和同步USB之间提供了双向数据链路。

同步以太网控制器496还具有时钟控制信道500，用于利用同步以太网时钟492通信。IEEE-1588时钟492可以在其比其他附接的IEEE-1588时钟的时钟更精确的情况下作为总线主时钟，或者可以是从属于更精确的附接的IEEE-1588时钟的从时钟。混合USB主机控制器410包括在嵌入式控制器474的外部接口电路484和USB主时钟电路480之间的控制信道502，使得嵌入式控制器474能够控制时钟信号。以类似的方式，本地基准时钟490或者IEEE-1588时钟492中更准确的一个被用作系统主时钟。

USB主机控制器486使用来自时钟总线488的时钟信号作为其主定时基准。这个时钟信号可以在USB主时钟电路480内被精确地调整，以提供达到任意精度的用于同步USB控制的频率精确时间基准。因此，可以精确地控制USB数据流内的周期性信号结构的频率(诸如帧开始令牌)，从而产生具有精确受控定时的同步USB。以这种方式，在不需要个人计算机的情况下实现了混合同步USB/以太网系统。另外，显然的是，可以按照在图16和17的实施例的上下文中描述的方法，改善这种设置中的延迟。

图21中以示为510的USB示意性地示出了按照本发明的第十一实施例的USB装置。在这个实施例中，同步USB装置可以说具有实时的某种概念(或者指示实时的数据)。这种时间的概念或者数据是从USB总线业务、USB数据流和从主机系统接收的信息中得出的。被附接到同一USB的所有装置共享这样的实时的概念。

因此，参见图21，USB装置520包括用于连接到USB524的总线连接器522、数字输入/输出总线接口电路526、微控制器528、数字受控换能器530、同步器532形式的同步电路(可与图5的同步器电路62相比)和实时时钟534。数字输入/输出总线接口电路526作为用于在总线连接器524检测的USB数据的收发器，并且向微控制器528传送所述USB数据。所述微控制器528具有到同步器532的信息信道536和到数字受控的换能器530的直接控制信道538。

USB装置520具有位于USB连接器522处的电路540，电路540检测USB524上的USB数据通信流，并且产生USB数据通信流的复本542并传送到同步器532。同步器532(可与图4的同步器46相比)产生本地时钟信号544，本地时钟信号544被频率和相位控制到任意的精度，并且与附接到同一USB524的任何类似的USB装置同步。本地时钟信号544被传送到所述数字受控的换能器530以控制其操作，并且被传送到实时时钟534。

实时时钟534可以同步于绝对时间，然后通过本地时钟信号544计时。以这种方式，多个USB装置可以工作来共享共同的实时概念，其中每个USB装置通过同步的本地时钟计时。通过来自主个人计算机的命令来启动实时时钟534的同步；这个命令由微控制器528解释并且通过另一个信息信道546被传送到同步器532(经由信息信道536)和实时时钟534。然后，同步器532通过实时同步信道548来同步实时时钟534。以这种方式，可以将所述实时时钟同步到某已知的时间。然后，实时时钟534可以传送实时触发信号550(其也可以包括来自实时时钟的时间标记)，以控制数字受控的换能器530的操作，使得换能器530在指定的时间执行动作。

图22是这个实施例的USB装置520的实时时钟534的详细示意图。实时时钟534具有：控制端口558，用于与微控制器528通信(参见图21)；同步时钟输入端口560，用于从同步器532接收同步时钟信号544(参见图21)；同步端口562，用于在同步信道546上接收同步信号(参见图21)；输出端口564；以及输入事件/时间标记端口566。

控制端口558接收信息信号，通过接口568解码该信息信号，以提供如下信号：包含绝对时间值的数据信号570，该信号被装载到临时寄存器572(用于随后同步锁存到实时时钟计数器574)；数据锁存信号576，用于将数据信号570锁存到实时时钟计数器574；计数器使能信号578，用于启动实时时钟计数器574；以及要被装载到计数比较器582内的另一个数据信号580。

实时时钟计数器574还从同步时钟输入端口560接收同步时钟信号584，用于使实时时钟计数器574递增，并且实时时钟计数器574从同步端口562接收重新同步信号586，重新同步信号586可以用于同步地清除实时时钟计数器574。从同步器532中产生所述重新同步信号586，以使该信号与USB内的帧开始(SOF)令牌同步地(或者更精确而言与合成的SOF同步地)发生。该同步合成的SOF令牌帧编号是主机控制器(其自主机启动起跟踪这个编号的滚动)已知的，因此可以将所述装置(或者多个类似的装置)同步于同一时间点。而且，所述主机保持对这个合成SOF令牌编号和实时时钟计数器574的绝对时间标记的滚动的了解，因此USB装置不必同步于同一时间点。一旦单个USB装置已经根据这种技术被同步到实际时间，则所述主机可以计算任何未来的合成SOF帧令牌的实际时间。这使得能够顺序地同步任何数量的装置。

以这种方式，实时时钟计数器574可以通过微控制器528(参见图21)同步地加载已知的‘实际时间’以及由重新同步信号586启动的时间计数，或者通过重新同步信号586同步地清除实时时钟计数器574，其中计数器在两种情况下都通过同步时钟信号584而递增。然后，所述系统控制器(诸如个人计算机)确定实时时钟计数器574表示的时间概念。

在同步时钟信号584的每个周期上从实时计数器574将实际时间值588(数据信号)计时输出到接口590，所述接口590通过输出端口564为外部电路提供信号。而且，通过比较瞬时的实际时间值588与已经预先被锁存到计数器比较器582内的数据信号，可以配置实时时钟534以提供触发信号592。触发信号592然后被传送到输出接口590，以发送到外部电路。

接口590还从外部事件/时间标记端口566接收来自具有相关的时间标记数据的事件的外部信号。这个数据592被传送到实时的时钟计数器电路574，以校准和设定其中包含的本地时钟的实际时间。

应当注意，例如按照图12的系统220内使用的方法或者符合IEEE-1588的如上所述的那些实施例，多个同步的USB可以共享这个实时概念。

而且，同步时钟信号584和重新同步信号586与载波信号同步(如在图4的USB装置50的上下文内所述)。因此，可以确定接收这些载波信号的实际时间，因此设置图22的实时时钟计数器574的实际时间。

图23是图21的USB装置520的时序图600。已知实际时间的外部事件602可以用于启动本地计数器604，本地计数器604从同步时钟信号606(自图4的同步器电路62得出)计时，并且外部事件602的实际时间608被锁存到所述装置内。接收下一个解码的载波信号610(合成的帧开始令牌)会停止本地计数器604，并且锁存帧令牌的编号612。主机控制器然后可以使用本地计数器604的过去的时间(所述事件和所述帧开始令牌之间的时间Δt)来确定锁存的帧令牌编号612的实际时间。

以这种方式，在事件/时间标记端口566的已知实际时间的外部事件可以用于确定本地载波信号的到达的实际时间，由此设定(校准)USB装置520的实际时间。由这种方法确定的实际时间被锁存到在614的实时时钟计数器(图22的574)内。通过已知的频率和时间基准，可以产生这种外部得出的实时事件和时间标记，所述已知的频率和时间基准诸如精确铯时钟、锁定到全球定位卫星系统的GPS时间服务器或者IEEE-1588精确时间协议装置等。

在没有外部精确时间标记的基准事件602的情况下，主个人计算机可以(从其内部的不精确的实时时钟)将其本身的时间概念指派给同步USB。这种方法仅仅将所述个人计算机的时间概念指定为由实时时钟计数器使用的作为基准时间的给定的载波帧编号。从这个时间起，同步USB具有高度精确的相对精度(由其实时时钟计数器电路限定)，但是具有从通过主个人计算机的实时时钟的初始误差确定的绝对时间开始的偏移。

通过扩展，使用已知时间的多个外部事件，可以使用图6的装置100内使用的方法以任意的程度来确定载波信号频率。这是产生相对于已知的载波信号编号的外部事件的时间标记的方法。

应当注意，可以在集线器或者USB装置或者在附接到USB的装置内实施这种方法。该方法还可以被实施一次或者在多个装置内实施，以通过统计方法来提高精度。

图24中，以630示意性地示出了按照本发明的第十二实施例的USB装置。在这个实施例中，同步的USB装置630可以按照其本身的时间概念来对外部事件加时间标记，已经通过其本身的实时时钟或者通过外部提供的实时时钟和时间标记而校准了所述时间概念。

USB装置630具有：上行端口632，用于连接到主机控制器(或者在USB装置630和这样的主机控制器之间的中间上行装置)；外部触发端口634；以及用于传送时间标记信息的数据端口636。USB装置630还包括数字输入/输出总线接口电路638、微控制器640和同步时间标记电路642。时间标记电路642包括：同步电路646(可与图15的定时测量电路302相比)，其通过USB监视电路644来观察上行端口632上的USB数据通信流，以利用解码的USB数据流信号650内包含的载波信号来同步本地时钟；以及实时时钟电路648(可与图22的实时时钟534相比)。

连接到外部触发端口634的外部事件信号(另外被称为外部触发器)和数据端口636上的时间标记信息被传送到时间标记电路642进行处理。以这种方式，外部事件(触发器)和相关联的时间标记被传送到所述装置，并且与在同步电路646内包含的同步本地时钟相关。

因此，一旦已经校准了实时时钟电路(诸如通过将实时锁存到图22的实时时钟计数器574内)，则可以按照实时时钟计数器574对所有的外部事件加时间标记。本领域的技术人员易于进行在本发明的范围内的修改。因此，应当明白，本发明不限于上述通过示例说明的特定实施例，在此所述的各种实施例的组合对于本领域内的技术人员是明显的。

在前述对本发明的说明中，除了由于表达语言或必要的暗示而另外要求的上下文之外，术语“主机控制器”可以用于表示标准的USB主机控制器、USB在运行中的主机控制器、无线USB主机控制器或者任何其他形式的USB主机控制器。

在所附的权利要求与前述对本发明的说明中，除了由于表达语言或者必要的暗示而另外要求的上下文之外，术语“包括”或者其变化形式(如“包含”和“含有”)以包括的含义被使用，即规定所陈述的特征的存在，但是不排除存在或者增加本发明的各种实施例中的另外特征，

而且，在此对现有技术的任何引用并非暗示这样的现有技术现在形成或者过去形成公知常识的一部分。

Claims (13)

1.一种用于控制通用串行总线装置的本地时钟的相位和频率的设备，所述设备包括：

用于观察通用串行总线通信流并从所述通用串行总线通信流中解码周期性数据结构或载波信号的电路，所述周期性数据结构或载波信号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或载波信号并且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或载波信号；以及

被配置为确定所述周期性数据结构或载波信号的频率的电路；

其中，用于接收所述周期性数据结构或载波信号并且产生所述本地时钟信号的所述电路进一步被配置为(i)接收信息信号，所述信息信号具有表示期望本地时钟频率的数据，并且(ii)使用所述周期性数据结构或载波信号的所述频率和所述期望本地时钟频率来产生所述本地时钟信号。

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产生所述本地时钟信号的所述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。

3.一种用于控制通用串行总线装置的本地时钟的相位和频率的方法，所述方法包括：

观察通用串行总线通信流；

从所述通用串行总线通信流中解码周期性数据结构或载波信号，所述周期性数据结构或载波信号包含有关分布式时钟的频率和相位的信息；

确定所述周期性数据结构或载波信号的频率；以及

使用所述周期性数据结构或载波信号的所述频率和具有表示期望时钟频率的数据的信息信号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或载波信号。

4.一种用于提供已知频率和相位的同步的多信道通用串行总线的方法，包括：

通用串行总线主机控制器生成通用串行总线数据流中的载波信号；

观察在多个通用串行总线装置中的每个通用串行总线装置处的通用串行总线通信流；

确定所述通用串行总线装置中的每个通用串行总线装置处的所述载波信号的实际频率；

对于所述通用串行总线装置中的每个通用串行总线装置，根据所述载波信号产生在所述相应的通用串行总线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

将所述通用串行总线装置中的每个通用串行总线装置的相应的本地时钟在频率、相位或者频率和相位两者上锁定到相应的合成本地载波信号。

5.根据权利要求4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。

6.根据权利要求4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。

7.根据权利要求4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。

8.根据权利要求4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。

9.根据权利要求4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。

10.根据权利要求4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。

11.根据权利要求4的方法，其中，通过所述通用串行总线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：随后向所述通用串行总线装置中的所有其他通用串行总线装置发送所述实际载波频率。

12.根据权利要求4的方法，其中，所述多个通用串行总线装置被附接到通用串行总线，所述方法还包括：

在所述多个通用串行总线装置中的每个通用串行总线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。

13.根据权利要求4的方法，还包括：

观察通用串行总线通信流；

将特定的周期性信号结构定义为所述载波信号；

从所述通用串行总线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。

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