USB接口技術(shù)研究設(shè)計(jì)論文

　　[摘要] USB很好地解決了計(jì)算機(jī)插槽限制沖突，實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。USB接口如今已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)外設(shè)必不可少的設(shè)備。本文詳細(xì)介紹了USB接口設(shè)備及其工作原理，并對(duì)其在生產(chǎn)實(shí)踐中的具體應(yīng)用方法進(jìn)行了研究。

　　[關(guān)鍵詞] USB;接口;應(yīng)用與設(shè)計(jì)

　　從U盤、鼠標(biāo)、讀卡器、外接光驅(qū)等常用USB設(shè)備，到采用USB接口的電吹風(fēng)、咖啡爐、剃須刀、圣誕樹等千奇百怪的電腦附件，通過(guò)一臺(tái)電腦的USB周邊設(shè)備使人們享受到了更多的方便和樂(lè)趣。USB之所以能夠如此普及并受到大眾歡迎，在于它方便的熱插拔，帶寬大，速度快，可連接設(shè)備多，簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　一、USB接口技術(shù)傳輸類型及優(yōu)點(diǎn)

　　USB是通用串行總線(Universal Serial Bus)的簡(jiǎn)稱。在計(jì)算機(jī)使用中，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。常用的采集方式是通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡，如A/D卡以及422、485總線板卡等。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而USB接口技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。USB系統(tǒng)主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(shè)(Peripherals Node)組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　1.USB的傳輸類型。USB總線包括4種傳輸類型(傳輸管道)：(1)控制傳輸類型：用于傳輸控制信息。(2)塊數(shù)據(jù)傳輸類型：用于傳輸相對(duì)比較大的和突發(fā)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，一般用于打印機(jī)、掃描儀等。(3)中斷數(shù)據(jù)傳輸類型：通常用于傳輸設(shè)備反饋回計(jì)算機(jī)的字符和坐標(biāo)信息，如鼠標(biāo)，鍵盤、游戲桿等。(4)同步數(shù)據(jù)傳輸類型：占用預(yù)先分配的帶寬，實(shí)時(shí)傳輸，例如海量?jī)?chǔ)存類、打印機(jī)類和HID(人機(jī)接口)類等。

　　2.USB的主要優(yōu)點(diǎn)。速度快;USB 2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480Mbps，比USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右，速度的提高對(duì)于用戶的最大好處就是用戶可以使用到更高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到USB 2.0的線路上，而且無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應(yīng)。設(shè)備安裝和配置容易;安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過(guò)的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過(guò)去的'跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。易于擴(kuò)展;通過(guò)使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長(zhǎng)度為3m(5m低速)。通過(guò)Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。能夠采用總線供電;USB總線提供最大達(dá)5V電壓、500mA電流。使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

　　二、USB的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

　　USB的應(yīng)用主要是數(shù)據(jù)采集工作，隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機(jī)是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。USB接口開發(fā)中有相當(dāng)大的工作量是關(guān)于USB軟件的開發(fā)，USB軟件包括三方面的工作：固件(firmware)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和主機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　1、固件設(shè)計(jì)。固件是運(yùn)行在USB芯片上的程序，可采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，其主要功能是控制USB芯片接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求、控制USB芯片接收應(yīng)用程序的控制指令、通過(guò)USB芯片存放數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至PC等。

　　2、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。在Windows平臺(tái)下，USB驅(qū)動(dòng)程序由3部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序，他們必須遵循win32驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)。其中，windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。而USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，通過(guò)向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB(USB Request Block)的IRP(I/0 Request Packet)，來(lái)實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)之間的信息交換。當(dāng)主機(jī)應(yīng)用程序要對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行I/0操作時(shí)，調(diào)用Windows API函數(shù)對(duì)win32子系統(tǒng)進(jìn)行win32調(diào)用，由I/O管理器將此請(qǐng)求構(gòu)造成一個(gè)合適的IRP，并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接受到這個(gè)IRP后，根據(jù)IRP中的包含的具體操作代碼，構(gòu)造響應(yīng)的URB并把他放到一個(gè)新IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)IRP中所包含的URB執(zhí)行響應(yīng)的操作，并把操作結(jié)果通過(guò)IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接受到此IRP后，將操作結(jié)果通過(guò)IRP返還I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中的操作結(jié)果返還給應(yīng)用程序，至此應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備的一次I/O操作完成。

　　3、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序工作于用戶模式，用戶模式可以訪問(wèn)文件，處理數(shù)據(jù)，人機(jī)交互，不過(guò)必須借助設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)硬件。在VC環(huán)境下開發(fā)的主機(jī)端的應(yīng)用程序，容易實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的打開、關(guān)閉、固件下載、端口配置和文件傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　USB接口技術(shù)的應(yīng)用正處于高速發(fā)展階段。在USB數(shù)據(jù)采集、USB工業(yè)控制等領(lǐng)域已經(jīng)得到成功的應(yīng)用。隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。

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