USB接口技術(shù)及電路設(shè)計(jì)分析

USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸?shù)牧畠r(jià)的并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，而過(guò)去的串口和并口只能接一個(gè)設(shè)備。速度快是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。全速USB接口的最高傳輸率可達(dá)12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速USB接口速率更是達(dá)到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實(shí)時(shí)傳送成為可能。USB接口支持多個(gè)不同設(shè)備的串列連接，一個(gè)USB接口理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器(Hub)把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要。正是由于USB的這些特點(diǎn)，使其獲得了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，USB已經(jīng)在PC機(jī)的多種外設(shè)上得到應(yīng)用，包括掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設(shè)備等。對(duì)于廣大的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，USB是設(shè)計(jì)外設(shè)接口時(shí)理想的總線。

　　對(duì)于USB接口芯片，通常分為普通和DMA(直接存儲(chǔ)器存取)兩種工作模式。相對(duì)于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號(hào)等高速、實(shí)時(shí)信號(hào)的傳送。但遺憾的是，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對(duì)DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)USB的原理進(jìn)行了研究，嘗試著利用51單片機(jī)結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設(shè)計(jì)帶DMA工作模式的可供視頻信號(hào)傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出了完整的硬件電路。

　　1、USB概述

　　由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對(duì)外設(shè)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開(kāi)發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對(duì) USB的支持。

　　USB的主要優(yōu)點(diǎn)：

　　l 使用方便。連接外設(shè)不必再打開(kāi)機(jī)箱;允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。

　　l 速度快。USB支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5 Mb/s(低速設(shè)備)、12 Mb/s(中速設(shè)備)和480 Mb/s(高速設(shè)備)。

　　l 獨(dú)立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。

　　l 連接靈活。一個(gè)USB口理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用 串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USB口相接。

　　l 成本低。為了把外設(shè)連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。

　　現(xiàn)在滿足USB要求的外設(shè)有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標(biāo)，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀，音箱等。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升級(jí)到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來(lái)的5米增加到近百米。基于這點(diǎn)，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。USB 總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)定義僅由2條電源線，2條信號(hào)線組成。

　　2、USB結(jié)構(gòu)與工作原理

　　一個(gè)USB系統(tǒng)可以從三個(gè)方面加以描述

　　(1)USB互聯(lián)。

　　(2)USB設(shè)備。

　　(3)USB主機(jī)。

　　USB互聯(lián)是指一個(gè)USB設(shè)備與USB主機(jī)相聯(lián)并和其通信的方式,它包括：

　　(1)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB主機(jī)和USB設(shè)備的連接模型。

　　(2)層間關(guān)系：USB在系統(tǒng)中的每一層都要完成一定的任務(wù)。

　　(3)數(shù)據(jù)流模型：USB系統(tǒng)中信源和信息之間的數(shù)據(jù)傳送方式。

　　(4)任務(wù)規(guī)劃：USB提供可以共享的互聯(lián)機(jī)制。通過(guò)規(guī)劃對(duì)互連機(jī)制的訪問(wèn)，可以支

　　持同步數(shù)據(jù)傳輸。

　　下面簡(jiǎn)要討論USB硬件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流傳輸。

　　2.1 USB硬件結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)USB系統(tǒng)包含三類硬件設(shè)備: USB主機(jī)(USB HOST)、 USB設(shè)備(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB)。參見(jiàn)圖2-1。

　　(1)USB HOST

　　在一個(gè)USB系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)有一個(gè)USB HOST時(shí)，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系統(tǒng);

　　◇ 每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù);

　　◇ 發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置操作;

　　◇ 對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)。

　　(2)USB DEVICE

　　在一個(gè)USB系統(tǒng)中，USB DEVICE和USB HUB總數(shù)不能超過(guò)127個(gè)。USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過(guò)數(shù)據(jù)包的地址域來(lái)判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡(jiǎn)單地丟棄該數(shù)據(jù)包;若地址相符，則通過(guò)響應(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　(3)USB HUB

　　USB HUB用于設(shè)備擴(kuò)展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個(gè)USB HOST總與一個(gè)根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個(gè)端口提供100mA電流供設(shè)備使用。同時(shí)，USB HUB可以通過(guò)端口的電氣變化診斷出設(shè)備的插拔操作，并通過(guò)響應(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報(bào)給USB HOST。一般來(lái)說(shuō)，USB設(shè)備與USB HUB間的連線長(zhǎng)度不超過(guò)5m，USB系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)不能超過(guò)5級(jí)(包括ROOT HUB)。

　　USB總線最多可支持127個(gè)USB外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。USB的拓?fù)涫菢?shù)形結(jié)構(gòu)，有1個(gè)USB根集線器(root hub)，下面還可有若干集線器。1個(gè)集線器下面可接若干USB接口。USB線纜包括4條線：Vbus(USB電源)、D+(數(shù)據(jù))、D-(數(shù)據(jù))和 Gnd(USB地)。線纜最大長(zhǎng)度不超過(guò)5m。USB1.1的傳輸速率最高為12Mb/s(低速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為1.5Mb/s，高速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速率為 12Mb/s)。圖2-1是典型的USB功能器件結(jié)構(gòu)框圖，圖2-3是高速外設(shè)的USB線纜與電阻的連接圖。圖2-3中：FS為全速(高速);LS為低速;R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外設(shè)可以采用計(jì)算機(jī)里的電源(+5V，500mA)，也可外接USB電源。在所有的USB信道之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線的特征之一，這大大地提高了USB帶寬的利用率。當(dāng)一臺(tái)USB外設(shè)長(zhǎng)時(shí)間(3ms以上)不使用時(shí)，就處于掛起狀態(tài)，這時(shí)只消耗0.5mA 電流。按USB1.0/1.1標(biāo)準(zhǔn)，USB的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘頻率為12MHz，而其總線時(shí)脈沖時(shí)鐘為1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件應(yīng)為 USB線纜產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘脈沖序列。這個(gè)脈沖系列稱為幀開(kāi)始數(shù)據(jù)包(SOF)。高速外設(shè)長(zhǎng)度為每幀12000bit(位)，而低速外設(shè)長(zhǎng)度只有每幀 1500bit。1個(gè)USB數(shù)據(jù)包可包含0~1023字節(jié)數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳送都以1個(gè)同步字段開(kāi)始。

　　2.2 USB的數(shù)據(jù)流傳輸

　　主控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶程序通信的接口，每個(gè)接口由0個(gè)或多個(gè)管道組成，它們分別獨(dú)立地在客戶程序和設(shè)備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機(jī)軟件的現(xiàn)實(shí)需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請(qǐng)求時(shí)，主控制器根據(jù)主機(jī)軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。

　　USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應(yīng)用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質(zhì)。

　　控制傳輸類型：支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。等時(shí)傳輸類型：支持有周期性，有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無(wú)差錯(cuò)校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計(jì)算機(jī)-電話集成系統(tǒng)(CTI)和音頻系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標(biāo)和鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小，無(wú)周期性，但對(duì)響應(yīng)時(shí)間敏感，要求馬上響應(yīng)。

　　數(shù)據(jù)塊傳輸類型：支持打印機(jī)，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。

　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設(shè)超過(guò)當(dāng)前帶寬分配或潛在的要求,則不能進(jìn)入該設(shè)備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數(shù)據(jù)按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來(lái)傳輸傳輸數(shù)據(jù)。

　　3、USB外設(shè)控制器的兩種實(shí)現(xiàn)方式

　　USB芯片在外設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用面很廣。USB外設(shè)控制芯片通常包括USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外設(shè)功能等四個(gè)模塊(SIE 主要以硬件方式處理大多數(shù)USB協(xié)議，USB控制器負(fù)責(zé)與PC交互通信信息)。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU集成在芯片里面的，如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National Semiconductors等公司的產(chǎn)品;另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。

　　集成MCU的USB控制芯片優(yōu)點(diǎn)是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問(wèn)一系列寄存器和存儲(chǔ)器，便可實(shí)現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點(diǎn)。而且簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)，極大地降低了USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)難度。缺點(diǎn)是靈活性不夠高，開(kāi)發(fā)成本較大。

　　純粹的USB接口芯片的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)組成靈活，可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，搭配不同的MCU，具有較高的性能價(jià)格比。但因?yàn)閁SB控制器是通過(guò)串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速度方面和開(kāi)發(fā)難度方面不如集成了MCU的控制芯片。

　　不同的實(shí)現(xiàn)方式在設(shè)計(jì)開(kāi)銷、上市時(shí)間、元器件開(kāi)銷和引腳數(shù)方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著在以上各項(xiàng)指標(biāo)中進(jìn)行取舍。

　　本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。該芯片是一款性價(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要選擇合適的微控制器，靈活性較大，適用于開(kāi)發(fā)低成本且高效的USB外圍設(shè)備。