USB接口技術(shù)分析及電路設(shè)計(jì)
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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/157254.htm1、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。現(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?;谶@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。
評(píng)論