USB接口技術研究設計論文
[摘要] USB很好地解決了計算機插槽限制沖突，實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。USB接口如今已經(jīng)成為計算機外設必不可少的設備。本文詳細介紹了USB接口設備及其工作原理，并對其在生產(chǎn)實踐中的具體應用方法進行了研究。
[關鍵詞] USB;接口;應用與設計
從U盤、鼠標、讀卡器、外接光驅(qū)等常用USB設備，到采用USB接口的電吹風、咖啡爐、剃須刀、圣誕樹等千奇百怪的電腦附件，通過一臺電腦的USB周邊設備使人們享受到了更多的方便和樂趣。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，可連接設備多，簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)功能等諸多優(yōu)點。
一、USB接口技術傳輸類型及優(yōu)點
USB是通用串行總線(Universal Serial Bus)的簡稱。在計算機使用中，常常利用PC或工控機對各種數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。常用的采集方式是通過數(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、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設備。而USB接口技術的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。USB系統(tǒng)主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(Peripherals Node)組成系統(tǒng)拓撲結(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：用于傳輸相對比較大的和突發(fā)性強的數(shù)據(jù)，一般用于打印機、掃描儀等。(3)中斷數(shù)據(jù)傳輸類型：通常用于傳輸設備反饋回計算機的字符和坐標信息，如鼠標，鍵盤、游戲桿等。(4)同步數(shù)據(jù)傳輸類型：占用預先分配的帶寬，實時傳輸，例如海量儲存類、打印機類和HID(人機接口)類等。
2.USB的主要優(yōu)點。速度快;USB 2.0將設備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480Mbps，比USB 1.1標準快40倍左右，速度的.提高對于用戶的最大好處就是用戶可以使用到更高效的外部設備，而且具有多種速度的周邊設備都可以被連接到USB 2.0的線路上，而且無需擔心數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生瓶頸效應。設備安裝和配置容易;安裝USB設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備完全不用關閉計算機。所有USB設備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置。易于擴展;通過使用Hub擴展可撥接多達127個外設。標準USB電纜長度為3m(5m低速)。通過Hub或中繼器可以使外設距離達到30m。能夠采用總線供電;USB總線提供最大達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)，以適應不同設備的需要。
二、USB的應用與設計
USB的應用主要是數(shù)據(jù)采集工作，隨著USB應用的日益廣泛，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。這些單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，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)中有相當大的工作量是關于USB軟件的開發(fā)，USB軟件包括三方面的工作：固件(firmware)設計，驅(qū)動程序設計和主機端應用程序的設計。
1、固件設計。固件是運行在USB芯片上的程序，可采用匯編語言或C語言設計，其主要功能是控制USB芯片接收并處理USB驅(qū)動程序的請求、控制USB芯片接收應用程序的控制指令、通過USB芯片存放數(shù)據(jù)并實時上傳至PC等。
2、驅(qū)動程序設計。在Windows平臺下，USB驅(qū)動程序由3部分組成：USB設備驅(qū)動程序，USB總線驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序，他們必須遵循win32驅(qū)動程序模型(WDM)。其中，windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動程序棧底的USB總線驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序。而USB設備驅(qū)動程序由設備開發(fā)者編寫，通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含URB(USB Request Block)的IRP(I/0 Request Packet)，來實現(xiàn)USB外設之間的信息交換。當主機應用程序要對USB設備進行I/0操作時，調(diào)用Windows API函數(shù)對win32子系統(tǒng)進行win32調(diào)用，由I/O管理器將此請求構(gòu)造成一個合適的IRP，并把它傳遞給USB設備驅(qū)動程序。USB設備驅(qū)動程序接受到這個IRP后，根據(jù)IRP中的包含的具體操作代碼，構(gòu)造響應的URB并把他放到一個新IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動程序，USB總線驅(qū)動程序根據(jù)IRP中所包含的URB執(zhí)行響應的操作，并把操作結(jié)果通過IRP返還給USB設備驅(qū)動程序。USB設備驅(qū)動程序接受到此IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還I/O管理器。最后，I/O管理器將此IRP中的操作結(jié)果返還給應用程序，至此應用程序?qū)SB設備的一次I/O操作完成。
3、應用程序設計。應用程序工作于用戶模式，用戶模式可以訪問文件，處理數(shù)據(jù)，人機交互，不過必須借助設備驅(qū)動程序來訪問硬件。在VC環(huán)境下開發(fā)的主機端的應用程序，容易實現(xiàn)了設備的打開、關閉、固件下載、端口配置和文件傳輸?shù)裙δ堋?/p>
USB接口技術的應用正處于高速發(fā)展階段。在USB數(shù)據(jù)采集、USB工業(yè)控制等領域已經(jīng)得到成功的應用。隨著時代的進步和技術的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領域得到更深層次的應用。
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