USB接口設(shè)計畢業(yè)論文.pdf

清華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文第一章前言當(dāng)今的計算機外部設(shè)備都在追求高速度和高通用性為了滿足用戶的需求以Intel為首的七家公司于1994年推出了USBUniversalSerialBus通用串行總線總線協(xié)議專用于低中速的計算機外設(shè)目前USB端口已成為了微機主板的標(biāo)準(zhǔn)端口而在不久的將來所有的微機外設(shè)包括鍵盤鼠標(biāo)顯示器打印機數(shù)字相機掃描儀和游戲柄等等都將通過USB與主機相連這種連接較以往普通并口和串口的連接而言主要的優(yōu)點是速度高功耗低支持即插即用Plug&Play和使用維護(hù)方便作為一個硬件廠商或是開發(fā)者最關(guān)心的便是如何去開發(fā)USB外設(shè)一般的USB設(shè)備都使用一片微控制器作為其核心部件通過微控制器強大的控制和運算功能開發(fā)者可以很容易地實現(xiàn)USB設(shè)備的智能化MOTOROLA公司是目前世界上最大的微控制器供應(yīng)商其8位微控制器的全球市場份額達(dá)到了30%左右MOTOROLA公司將其8位微控制器歸類為用戶定制的集成電路CSIC為客戶提供了MPURAMEPROMSPISCI定時器和USB等多種模塊用量大的客戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同的模塊來構(gòu)筑自己的微控制器MOTOROLA公司從1996年開始陸續(xù)推出了一系列含有USB模塊的8位微控制器用于支持USB總線協(xié)議的設(shè)備如最早的用于顯示器的68HC05BD9A用于鼠標(biāo)的68HC05JB2以及用于鍵盤的68HC08KL8和68HC08KH12等等通過微控制器內(nèi)含的USB模塊用戶可以很方便地實現(xiàn)USB總線上的數(shù)據(jù)通訊68HC05JB4最初是用于開發(fā)USB游戲柄的后來也常被用于其他一些USB外設(shè)的開發(fā)國外在近兩年已出現(xiàn)了不少的USB外設(shè)但目前在國內(nèi)市場上我們僅發(fā)現(xiàn)了臺灣生產(chǎn)的攝像頭等少數(shù)幾類高速USB外設(shè)低速USB設(shè)備還是一個空白同時國外開發(fā)的USB設(shè)備多集中在鼠標(biāo)鍵盤等少數(shù)幾類設(shè)備上諸如USB手寫板等設(shè)備就是在國外也很少見國內(nèi)近年來計算機非鍵盤輸入技術(shù)發(fā)展很快在漢字英文和數(shù)字的手寫識別方面已有相當(dāng)基礎(chǔ)本項目之目的就是吸收USB總線和MOTOROLA微控制器的先進(jìn)技術(shù)與中科院自動化所漢王公司的手寫識別技術(shù)相結(jié)合在漢王筆的基礎(chǔ)上設(shè)計生產(chǎn)出自己的新一代USB手寫輸入系統(tǒng)此USB手寫系統(tǒng)采用漢王公司的傳感器獲得筆畫信息傳給68HC05JB4經(jīng)過整理后通過USB總線發(fā)送到PC再由自行編寫的驅(qū)動程序接收最終轉(zhuǎn)給漢王公司的文字識別軟件識別第1頁清華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文第二章USB總線協(xié)議USBUniversalSerialBus總線協(xié)議是以Intel為主并有CompaqMicrosoftIBMDECNorthernTelecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)1994年11月制定了第一個草案1996年2月公布了USB規(guī)范版本1.0USB可把多達(dá)127個外設(shè)同時聯(lián)到你的系統(tǒng)上所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享USB的帶寬其12Mbps的帶寬對于鍵盤鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠的注在1999年2月發(fā)布的USB規(guī)范版本2.0草案中已建議將12Mbps的帶寬提升到120-240MbpsUSB允許外設(shè)在主機和其它外設(shè)工作時進(jìn)行連接配置使用及移除即所謂的即插即用Plug&Play同時USB總線的應(yīng)用可以清除PC上過多的I/O端口而以一個串行通道取代使PC與外設(shè)之間的連接更容易以下簡單介紹USB總線的結(jié)構(gòu)原理以使讀者對USB有大致的了解如果需要了解其協(xié)議細(xì)節(jié)請查閱USB總線規(guī)范這可以從下載2.1總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB總線的物理連接是一種分層的菊花鏈結(jié)構(gòu)集線器(hub)是每個星形結(jié)構(gòu)的中心PC機就是主機和根Hub用戶可以將外設(shè)或附加的Hub與之相連這些附加的Hub可以連接另外的外設(shè)以及下層HubUSB支持最多5個Hub層以及127個外設(shè)圖2.1描述了USB的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從中可以看出每一段的連接都是點對點的Host(RootTier)Tier1Tier2Tier3Tier4Hub1Hub2NodeHostRootHubNodeHub3Hub4NodeNodeNodeNodeNode圖2.1USB總線拓?fù)涞?頁清華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文2.2USB的物理層USB的物理接口包括電氣特性和機械特性USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源如圖2.2所示.5metersmaxVBusGNDD+D-VBusGNDD+D-i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0圖2.2USB電纜定義其中D+和D-是一對差模的信號線而VBus和GND則提供了5V的電源它可以給一些設(shè)備(包括Hub)供電當(dāng)然要有一定的條件限制USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率一種是12Mb的高速(fullspeed)模式另一種是1.5Mb的低速模式這兩種模式可以同時存在于一個USB系統(tǒng)中而引入低速模式主要是為了降低要求不高的設(shè)備的成本比如鼠標(biāo)鍵盤等等USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線而且最長不能超過5m而在低速模式時中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線但最長不能超過3m這主要是由于信號衰減的限制為了提供信號電壓保證以及與終端負(fù)載相匹配在電纜的每一端都使用了不平衡的終端負(fù)載這種終端負(fù)載也保證了能夠檢測外設(shè)與端口的連接或分離并且可以區(qū)分高速與低速設(shè)備所有的設(shè)備都有上行的接口上行和下行的接頭是不能互換的這保證了不會有非法的連接出現(xiàn)插頭與插座有兩個系列分別為A和B系列A用于基本固定的外圍設(shè)備而系列B用于經(jīng)常拔插的設(shè)備這兩個系列是不能互換的2.3USB設(shè)備USB設(shè)備包括Hub和功能設(shè)備而功能設(shè)備又可以細(xì)分為定位設(shè)備字符設(shè)備等等為了進(jìn)一步敘述我們給出端點(endpoint)和管道(pipe)的概念第3頁清華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文端點每一個USB設(shè)備在主機看來就是一個端點的集合主機只能通過端點與設(shè)備進(jìn)行通訊以使用設(shè)備的功能每個端點實際上就是一個一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)這些端點在設(shè)備出廠時就已定義好在USB系統(tǒng)中每一個端點都有唯一的地址這是由設(shè)備地址和端點號給出的每個端點都有一定的特性其中包括傳輸方式總線訪問頻率帶寬端點號數(shù)據(jù)包的最大容量等等端點必須在設(shè)備配置后才能生效(端點0除外)端點0通常為控制端點用于設(shè)備初始化參數(shù)等端點12等一般用作數(shù)據(jù)端點存放主機與設(shè)備間往來的數(shù)據(jù)管道一個USB管道是驅(qū)動程序的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與一個外設(shè)端點的連接它代表了一種在兩者之間移動數(shù)據(jù)的能力一旦設(shè)備被配置管道就存在了管道有兩種類型數(shù)據(jù)流管道其中的數(shù)據(jù)沒有USB定義的結(jié)構(gòu)與消息管道其中的數(shù)據(jù)必須有USB定義的結(jié)構(gòu)管道只是一個邏輯上的概念所有的設(shè)備必須支持端點0以作為設(shè)備的控制管道通過控制管道可以獲取完全描述USB設(shè)備的信息包括設(shè)備類型電源管理配置端點描述等等只要設(shè)備連接到USB上并且上電端點0就可以被訪問與之對應(yīng)的控制管道就存在了一個USB設(shè)備可以分為三個層圖2.3最底層是總線接口用來發(fā)送與接收包中間層處理總線接口與不同的端點之間的數(shù)據(jù)流通一個端點是數(shù)據(jù)最終的使用者或提供者它可以看作數(shù)據(jù)的源或接收端最上層就是USB