USB接口技術(shù)分析及電路設計

　　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數據傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數字信號等高速、實(shí)時(shí)信號的傳送。但遺憾的是，國內市場(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DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開(kāi)發(fā)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們對USB的原理進(jìn)行了研究，嘗試著(zhù)利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線(xiàn)的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路，現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據傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線(xiàn)技術(shù)應運而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線(xiàn)，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設之間的互連而共同研究開(kāi)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(shí)現數字多媒體集成?，F在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。

　　USB的主要優(yōu)點(diǎn)：

　　l 使用方便。連接外設不必再打開(kāi)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(xiàn)器Hub，把多個(gè)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。

　　現在滿(mǎn)足USB要求的外設有：調制解調器，鍵盤(pán)，鼠標，光驅?zhuān)螒蚴直?，軟驅?zhuān)瑨呙鑳x，音箱等。USB總線(xiàn)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(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(xiàn)結構簡(jiǎn)單，信號定義僅由2條電源線(xiàn)，2條信號線(xiàn)組成。

　　2、USB結構與工作原理

　　一個(gè)USB系統可以從三個(gè)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(gè)USB設備與USB主機相聯(lián)并和其通信的方式,它包括：

　　(1)總線(xiàn)拓撲結構：USB主機和USB設備的連接模型。

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

　　(3)數據流模型：USB系統中信源和信息之間的數據傳送方式。

　　(4)任務(wù)規劃：USB提供可以共享的互聯(lián)機制。通過(guò)規劃對互連機制的訪(fǎng)問(wèn)，可以支

　　持同步數據傳輸。

　　下面簡(jiǎn)要討論USB硬件結構和數據流傳輸。

　　2.1 USB硬件結構

　　一個(gè)USB系統包含三類(lèi)硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線(xiàn)器(USB HUB)。參見(jiàn)圖2-1。

　　(1)USB HOST

　　在一個(gè)USB系統中，當且僅當有一個(gè)USB HOST時(shí)，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系統;

　　◇ 每毫秒產(chǎn)生一幀數據;

　　◇ 發(fā)送配置請求對USB設備進(jìn)行配置操作;

　　◇ 對總線(xiàn)上的錯誤進(jìn)行管理和恢復。

　　(2)USB DEVICE

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

　　(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(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電流供設備使用。同時(shí)，USB HUB可以通過(guò)端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過(guò)響應USB HOST的數據包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST。一般來(lái)說(shuō)，USB設備與USB HUB間的連線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)5m，USB系統的級聯(lián)不能超過(guò)5級(包括ROOT HUB)。

　　USB總線(xiàn)最多可支持127個(gè)USB外設連接到計算機系統。USB的拓撲是樹(shù)形結構，有1個(gè)USB根集線(xiàn)器(root hub)，下面還可有若干集線(xiàn)器。1個(gè)集線(xiàn)器下面可接若干USB接口。USB線(xiàn)纜包括4條線(xiàn)：Vbus(USB電源)、D+(數據)、D-(數據)和 Gnd(USB地)。線(xiàn)纜最大長(cháng)度不超過(guò)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功能器件結構框圖，圖2-3是高速外設的USB線(xiàn)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(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線(xiàn)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(cháng)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標準，USB的標準脈沖時(shí)鐘頻率為12MHz，而其總線(xiàn)時(shí)脈沖時(shí)鐘為1ms(1kHz)，即每隔1ms，USB器件應為 USB線(xiàn)纜產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘脈沖序列。這個(gè)脈沖系列稱(chēng)為幀開(kāi)始數據包(SOF)。高速外設長(cháng)度為每幀12000bit(位)，而低速外設長(cháng)度只有每幀 1500bit。1個(gè)USB數據包可包含0~1023字節數據。每個(gè)數據包的傳送都以1個(gè)同步字段開(kāi)始。

　　2.2 USB的數據流傳輸

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

　　USB支持四種基本的數據傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸及數據塊傳輸。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(lèi)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(gè)控制通道。每種外設都支持控制傳輸類(lèi)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(shí)傳輸類(lèi)型：支持有周期性，有限的時(shí)延和帶寬且數據傳輸速率不變的外設與主機間的數據傳輸。該類(lèi)型無(wú)差錯校驗，故不能保證正確的數據傳輸，支持像計算機-電話(huà)集成系統(CTI)和音頻系統與主機的數據傳輸。

　　中斷傳輸類(lèi)型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤(pán)等輸入設備，這些設備與主機間數據傳輸量小，無(wú)周期性，但對響應時(shí)間敏感，要求馬上響應。

　　數據塊傳輸類(lèi)型：支持打印機，掃描儀，數碼相機等外設，這些外設與主機間傳輸的數據量大，USB在滿(mǎn)足帶寬的情況下才進(jìn)行該類(lèi)型的數據傳輸。

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

　　3、USB外設控制器的兩種實(shí)現方式

　　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(gè)模塊(SIE 主要以硬件方式處理大多數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(lèi)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(fǎng)問(wèn)一系列寄存器和存儲器，便可實(shí)現USB口的數據傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點(diǎn)。而且簡(jiǎn)化了程序的設計，極大地降低了USB外設的開(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)是系統組成靈活，可根據不同的系統需求，搭配不同的MCU，具有較高的性能價(jià)格比。但因為USB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)現方式在設計開(kāi)銷(xiāo)、上市時(shí)間、元器件開(kāi)銷(xiāo)和引腳數方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著(zhù)在以上各項指標中進(jìn)行取舍。

　　本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。該芯片是一款性?xún)r(jià)比很高的USB器件，它通常用作微控制器系統中實(shí)現與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，設計者可根據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外圍設備。