基于USB的家電自動(dòng)化

　　近來(lái)，通用串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus，USB）的使用，為家電自動(dòng)化引入了一種更為簡(jiǎn)單的實(shí)現途徑。采用稱(chēng)為“即插即用”（plug-n-play）的簡(jiǎn)單操作，當家電插入PC 上的USB 端口，就會(huì )與PC 交換USB 家電參數，從而消除了對家電接口進(jìn)行設置的繁瑣工作。根據經(jīng)由USB 端口傳送至PC 的家電描述符，自動(dòng)把家電配置為“就緒”狀態(tài)。此外，在家電網(wǎng)絡(luò )上添加或刪除新家電，只要將它們簡(jiǎn)單地插拔即可。

　　本文介紹了建立在USB 基礎之上的、創(chuàng )新的家電自動(dòng)化應用，包括USB 自動(dòng)洗衣機、烘干機、咖啡機、安保系統以及家電控制臺，如圖1 所示。此外，本文還以基于USB 的照明控制為例，講解了基于USB 的家電自動(dòng)化的基礎知識。最后，本文比較了USB 和其他用于家電自動(dòng)化的主流無(wú)線(xiàn)技術(shù)（如，ZigBee. 通信協(xié)議和Bluetooth. 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議等）的異同。

　　背景

　　隨著(zhù)功能豐富的新型半導體器件的高速發(fā)展，同時(shí)其價(jià)格也隨之達到消費者可以承受的水平，我們正在見(jiàn)證一場(chǎng)家電行業(yè)中的自動(dòng)化風(fēng)暴。在這些技術(shù)進(jìn)步中就包括了PC 上USB 的演化。

　　現在，我們的日常生活中方方面面都會(huì )用到PC 機。我們與周?chē)h(huán)境的互動(dòng)，很大程度上是通過(guò)PC 機進(jìn)行控制的。類(lèi)似地，如果沒(méi)有PC 機作為其中心，未來(lái)的家電自動(dòng)化根本無(wú)法想象。

　　此外，從PC 的角度看，USB 使外圍設備初始化方面發(fā)生了巨大的變化，不再需要用戶(hù)與PC 機進(jìn)行交互或關(guān)注PC 機。USB 協(xié)議非常智能，它能自動(dòng)檢測并驅動(dòng)多達127 個(gè)連接在其總線(xiàn)上的設備?？梢灶A見(jiàn)，USB 將能夠最終控制和驅動(dòng)絕大部分家電。

　　由于USB 能實(shí)現家電自動(dòng)化，它對于最終用戶(hù)是有用的。不僅如此，對于家電制造商而言，在新產(chǎn)品測試方面，USB 也非常有用。

　　USB 的演化發(fā)展，使得家電的即插即用成為現實(shí)，而這促使了操作系統供應商對標準USB 驅動(dòng)程序提供支持。

　　比如說(shuō)，Microsoft. 在其Windows. 操作系統（OS）的各版本中，提供了USB 驅動(dòng)程序支持，支持諸如人機接口設備（Human Interface Device，HID）、通信設備類(lèi)（Communication Device Class，CDC）和大容量存儲設備（Mass Storage Device，MSD）驅動(dòng)程序。

　　USB 的另一項重要用途與預付費設施有關(guān)。比如說(shuō)，

　　自動(dòng)洗衣店可以向客戶(hù)發(fā)行洗衣卡，洗衣卡可以通過(guò)USB端口進(jìn)行讀取，從而通過(guò)USB 總線(xiàn)對洗衣機進(jìn)行控制。USB 總線(xiàn)提供了充足的數據率，用于記錄設施數據和記錄家電用電量明細。對于具有USB 總線(xiàn)的家電而言，這類(lèi)大容量存儲USB 特別適用于數據記錄與控制。

　　USB 還可以用在家電的安全使用上。例如，父母能夠通過(guò)USB 端口對家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開(kāi)啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒(méi)有監護人的情況下，孩子無(wú)法去操作有潛在危險的家電。

　　現在已經(jīng)為您介紹了USB 及其可能的應用，下面讓我們來(lái)探索一下USB 協(xié)議的細節。
USB總線(xiàn)架構

　　USB 是每條總線(xiàn)支持一個(gè)主機的一種主機控制架構。大部分的PC 上都有多個(gè)USB 主機。設備能用集線(xiàn)器以菊花鏈方式連接到主機上。多個(gè)集線(xiàn)器能夠以菊花鏈方式連接起來(lái)，支持多達127 個(gè)不同設備，每個(gè)菊花鏈段長(cháng)度不能超過(guò)五英尺。

　　這種菊花鏈式連接，形成了稱(chēng)為層式星狀（tiered star）的拓撲結構， 它與 10-Base T 以太網(wǎng)類(lèi)似。與以太網(wǎng)拓撲結構相比，USB 有一些優(yōu)點(diǎn)，因為USB 集線(xiàn)器能為連接在其上的設備供電，并在發(fā)生過(guò)流現象時(shí)關(guān)閉設備。USB 集線(xiàn)器還能適當過(guò)濾主機和設備間的數據，實(shí)現低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設備的無(wú)縫集成。

　　USB 是即插即用型協(xié)議，能動(dòng)態(tài)加載和卸載USB 驅動(dòng)程序。要加載USB 驅動(dòng)程序，必須有USB 提供商標識符（VID）和產(chǎn)品標識符（PID）。這兩個(gè)標識信息記錄在USB 設備的設備描述符中。

　　VID 用來(lái)識別USB 總線(xiàn)的制造商。通常，VID 由名為“通用串行總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者論壇”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）組織分配。申請者需要支付注冊VID 費用。

　　與VID 類(lèi)似， PID 是一個(gè)16 位數字。PID 標識的是產(chǎn)品。設備制造商提供PID 號。不同于VID，對于PID 來(lái)說(shuō)，USB-IF 對其沒(méi)有任何管理上的限制。

　　USB 的另一個(gè)重要特性是它支持不同類(lèi)型的數據傳輸方式。例如，USB V2.0 支持四種不同類(lèi)型的數據傳輸：

　　1. 控制傳輸方式?？刂苽鬏斣谠O備插入時(shí)對其進(jìn)行配置，并能用于其他的設備特定用途，諸如對設備上的其他通道進(jìn)行控制等。

　　2. 批量傳輸方式。在數據的產(chǎn)生和使用量相對較大時(shí)采用批量傳輸方式。

　　3. 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時(shí)且可靠的數據傳送。例如，具有人類(lèi)可感知反應或反饋?lái)憫卣鞯淖址蜃鴺?，等等?/P>

　　4. 同步傳輸方式。同步傳輸方式在預先約定的傳輸延遲時(shí)間占用預定的USB 帶寬。同步傳輸也稱(chēng)為“流實(shí)時(shí)傳輸”。

　　A 型USB 連接器專(zhuān)用于數據下行傳輸，即，數據從設備傳輸到主機。所以，A 型連接器位于設備上。

　　B 型USB 連接器專(zhuān)用于數據上行傳輸，即，數據從USB 主機傳輸到設備或從集線(xiàn)器傳輸到設備。B 型連接器位于主機和集線(xiàn)器上，如圖2 所示。

　　有時(shí)為了使占用空間更小，可以使用微型USB 連接器。

　　USB 設備通過(guò)拉高D+ 或D-端線(xiàn)電平來(lái)指示其速度，最高為3.3 伏。全速設備在D+ 端接一個(gè)上拉電阻表明它是全速設備，如圖3 所示。

　　如果沒(méi)有上拉電阻， USB 就假定總線(xiàn)上沒(méi)有連接任何東西。有些設備中，上拉電阻是內置的，能通過(guò)固件開(kāi)啟和關(guān)閉。另一些設備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過(guò)固件進(jìn)行速度控制會(huì )受到限制，并且要求另外對外部中繼服務(wù)進(jìn)行實(shí)現與編碼。

　　低速設備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設備，如圖4 所示。

　　最開(kāi)始，高速設備被當作全速設備進(jìn)行連接（D+ →1.5k 至3.3V）。初始連接之后，設備在復位時(shí)將發(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經(jīng)初始化進(jìn)入高速模式，上拉電阻就被禁用。

　　USB數據流模式：枚舉在設備可以與應用進(jìn)行通信前，USB 主機需要了解設備狀態(tài)并給它分配設備驅動(dòng)程序。實(shí)現這一初始信息交換的過(guò)程就叫作枚舉。在枚舉過(guò)程中，根據USB V2.0 規范的定義，設備將經(jīng)歷以下設備狀態(tài)：

　　1. 上電狀態(tài)（Powered）

　　2. 缺省狀態(tài)（Default）

　　3. 地址狀態(tài)（Address）

　　4. 配置狀態(tài)（Configured）

　　另外還有兩個(gè)USB 設備狀態(tài)，“連接狀態(tài)”（attached）和“掛起狀態(tài)”（suspended）。枚舉過(guò)程的具體細節超出了本文的范圍；不過(guò)，在設備配置中使用的命令與結構是相關(guān)的。

　　描述符是讓USB 主機能獲取設備信息的數據結構。在枚舉過(guò)程中，主機請求描述符，從最上層設備描述符開(kāi)始，一直到最低層端點(diǎn)描述符，順序如圖5 所示。

　　枚舉過(guò)程

　　下面概述一下USB 設備的枚舉過(guò)程所包含的步驟，并講解設備在枚舉過(guò)程如何經(jīng)歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個(gè)狀態(tài)。

　　1. 用戶(hù)將一個(gè)USB 設備插入USB 端口。主機為端口供電，設備此時(shí)處于上電狀態(tài)。

　　2. 主機檢測設備。

　　3. 集線(xiàn)器使用中斷通道將事件報告給主機。

　　4. 主機發(fā)送Get_Port_Status（讀端口狀態(tài)）請求，以獲取更多的設備信息。

　　5. 集線(xiàn)器檢測設備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機