USB接口技術(shù)及電路設計分析

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的并可以進行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個不同的設備，而過去的串口和并口只能接一個設備。速度快是USB技術(shù)的突出特點之一。全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標準的高速USB接口速率更是達到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實時傳送成為可能。USB接口支持多個不同設備的串列連接，一個USB接口理論上可以連接127個USB設備。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)把多個設備連接在一起，再同PC機的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而USB設備則不需要。正是由于USB的這些特點，使其獲得了廣泛的應用。到目前為止，USB已經(jīng)在PC機的多種外設上得到應用，包括掃描儀，數(shù)碼相機，數(shù)碼攝像機、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設備等。對于廣大的工程設計人員來說，USB是設計外設接口時理想的總線。

　　對于USB接口芯片，通常分為普通和DMA(直接存儲器存取)兩種工作模式。相對于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號等高速、實時信號的傳送。但遺憾的是，國內(nèi)市場上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開發(fā)。為了解決這個問題，我們對USB的原理進行了研究，嘗試著利用51單片機結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路，現(xiàn)已設計出了完整的硬件電路。

　　1、USB概述

　　由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對外設與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應運而生。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等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現(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 USB的支持。

　　USB的主要優(yōu)點：

　　l 使用方便。連接外設不必再打開機箱;允許外設熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源。

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

　　l 獨立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。

　　l 連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設備。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，把多個設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。

　　l 成本低。為了把外設連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。

　　現(xiàn)在滿足USB要求的外設有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀，音箱等。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來的5米增加到近百米?；谶@點，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)簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。

　　2、USB結(jié)構(gòu)與工作原理

　　一個USB系統(tǒng)可以從三個方面加以描述

　　(1)USB互聯(lián)。

　　(2)USB設備。

　　(3)USB主機。

　　USB互聯(lián)是指一個USB設備與USB主機相聯(lián)并和其通信的方式,它包括：

　　(1)總線拓撲結(jié)構(gòu)：USB主機和USB設備的連接模型。

　　(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。

　　(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)任務規(guī)劃：USB提供可以共享的互聯(lián)機制。通過規(guī)劃對互連機制的訪問，可以支

　　持同步數(shù)據(jù)傳輸。

　　下面簡要討論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USB系統(tǒng)包含三類硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB)。參見圖2-1。

　　(1)USB HOST

　　在一個USB系統(tǒng)中，當且僅當有一個USB HOST時，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)送配置請求對USB設備進行配置操作;

　　◇ 對總線上的錯誤進行管理和恢復。

　　(2)USB DEVICE

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

　　(3)USB HUB

　　USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST。一般來說，USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統(tǒng)的級聯(lián)不能超過5級(包括ROOT HUB)。

　　USB總線最多可支持127個USB外設連接到計算機系統(tǒng)。USB的拓撲是樹形結(jié)構(gòu)，有1個USB根集線器(root hub)，下面還可有若干集線器。1個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)。線纜最大長度不超過5m。USB1.1的傳輸速率最高為12Mb/s(低速外設的標準速率為1.5Mb/s，高速外設的標準速率為 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外設可以采用計算機里的電源(+5V，500mA)，也可外接USB電源。在所有的USB信道之間動態(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。當一臺USB外設長時間(3ms以上)不使用時，就處于掛起狀態(tài)，這時只消耗0.5mA 電流。按USB1.0/1.1標準，USB的標準脈沖時鐘頻率為12MHz，而其總線時脈沖時鐘為1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件應為 USB線纜產(chǎn)生1個時鐘脈沖序列。這個脈沖系列稱為幀開始數(shù)據(jù)包(SOF)。高速外設長度為每幀12000bit(位)，而低速外設長度只有每幀 1500bit。1個USB數(shù)據(jù)包可包含0~1023字節(jié)數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)包的傳送都以1個同步字段開始。

　　2.2 USB的數(shù)據(jù)流傳輸

　　主控制器負責主機和USB設備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當作連續(xù)的比特流。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由0個或多個管道組成，它們分別獨立地在客戶程序和設備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機軟件的現(xiàn)實需求建立了接口和管道，當提出配置請求時，主控制器根據(jù)主機軟件提供的參數(shù)提供服務。

　　USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應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：支持外設與主機之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道。每種外設都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。等時傳輸類型：支持有周期性，有限的時延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設與主機間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無差錯校驗，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計算機-電話集成系統(tǒng)(CTI)和音頻系統(tǒng)與主機的數(shù)據(jù)傳輸。

　　中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但對響應時間敏感，要求馬上響應。

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

　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設超過當前帶寬分配或潛在的要求,則不能進入該設備。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傳輸傳輸數(shù)據(jù)。

　　3、USB外設控制器的兩種實現(xiàn)方式

　　USB芯片在外設領(lǐng)域的應用面很廣。USB外設控制芯片通常包括USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外設功能等四個模塊(SIE 主要以硬件方式處理大多數(shù)USB協(xié)議，USB控制器負責與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)點是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點。而且簡化了程序的設計，極大地降低了USB外設的開發(fā)難度。缺點是靈活性不夠高，開發(fā)成本較大。

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

　　不同的實現(xiàn)方式在設計開銷、上市時間、元器件開銷和引腳數(shù)方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著在以上各項指標中進行取舍。

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