基于數(shù)字通信設(shè)計中應(yīng)用USB技術(shù)研究

1、基于數(shù)字通信設(shè)計中應(yīng)用USB技術(shù)研究摘要：串行接口總線（Universal Serial Bus，USB）實現(xiàn)了高速、多點的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，簡化了數(shù)控系統(tǒng)的接口設(shè)計，提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞：直接數(shù)字通信；USB；設(shè)計一、直接數(shù)字通信設(shè)計中應(yīng)用USB技術(shù)的優(yōu)勢 近幾年隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，無線USB接口技術(shù)也應(yīng)運而生。無線USB是基于超寬帶無線通信技術(shù)（Ultra WideBand，UWB）技術(shù)的寬頻帶、低功率譜密度優(yōu)點。隨著各種類型的USB外設(shè)（如USB閃存盤、USB視頻頭、USB鼠標等）的陸續(xù)出現(xiàn)，USB通信的優(yōu)點越來越廣泛的被人們所熟知，將外設(shè)連接到計算機時，USB接口成

2、為優(yōu)先的選擇，USB總線主要具有以下優(yōu)點： （1）使用方便：設(shè)備自動識別，自動安裝驅(qū)動程序，支持動態(tài)接入。 （2）應(yīng)用范圍廣：傳輸速率從幾Kb/s至幾百Mb/s；同一組總線上可以同時支持同步和異步傳輸類型；支持對多個設(shè)備的同時操作（多連接）；支持多達127個物理外設(shè)；支持在主機和設(shè)備間多個數(shù)據(jù)和消息流的傳輸。 （3）靈活性高：可以有很多不同大小的分組，并允許在一定范圍內(nèi)選擇設(shè)備的緩沖區(qū)；通過支持不同的分組緩沖區(qū)和時延要求，支持不同數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)備。 （4）傳輸可靠性高：協(xié)議中包含錯誤檢測機制。 二、直接數(shù)字通信設(shè)計 （一）USB控制系統(tǒng)設(shè)計 USB接口引擎的芯片僅處理USB標準協(xié)議包的通信；

3、具有結(jié)構(gòu)相對簡單、靈活性高、設(shè)計復(fù)雜性低的特點。本文遵照USB協(xié)議的定義，參考市場上已有的USB IP核，可以分析出一個USB設(shè)備控制器應(yīng)具有如下主要功能：協(xié)議數(shù)據(jù)翻譯、總線上事件檢測、事務(wù)傳輸控制。 協(xié)議數(shù)據(jù)翻譯：由于USB數(shù)據(jù)傳輸采用反向不歸零（None-Return to Zero Inverted，NRZI）編碼，并有位填充，所以在發(fā)送或接收串行數(shù)據(jù)時需要進行編碼與解碼。數(shù)據(jù)在控制器內(nèi)傳輸時以字節(jié)為單位，因此還需要進行串并轉(zhuǎn)換。USB數(shù)據(jù)以包為單位在總線上傳輸，在進行NRZI解碼后需要識別數(shù)據(jù)包開始、結(jié)束標志數(shù)據(jù)校驗采用循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CR

4、C）方法，在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時需要進行相應(yīng)的CRC校驗。 總線上事件檢測：對于USB總線事件需要進行檢測與確定，完成在各狀態(tài)之間正確轉(zhuǎn)換。USB事務(wù)傳輸控制：不同類型的USB事務(wù)有不同的傳輸控制機制，需要根據(jù)USB協(xié)議中所規(guī)定的順序來收發(fā)一系列USB包，完成一次事務(wù)傳輸所以，USB設(shè)備控制器要做到能夠正確識別由主機發(fā)來的各種包，并能根據(jù)傳輸機制做出正確處理。 物理層包括收發(fā)器和UTMI兩部分，其中收發(fā)器采用Agere Systems公司的芯片USS2X1A 8-bit，它的主要功能包括包開始（Start of Packet，SOP）和包結(jié)束（End of Packet，EOP）信號的檢測和產(chǎn)生時

5、鐘恢復(fù)，即時鐘和數(shù)據(jù)的分離和提取；NAZI編碼和解碼；填充位的插入和刪除；串/并和并/串轉(zhuǎn)換；填充位錯誤和EOP錯誤的檢測。UTMI模塊實現(xiàn)總線上事件檢測功能，完成USB設(shè)備各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。該部分對USB數(shù)據(jù)并不進行處理，僅負責收發(fā)器和協(xié)議層PL模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。 控制器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接存儲到FIFO存儲區(qū)中，也可以讀取FIFO存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)并輸出到外部I/O接口。從而在單片F(xiàn)PGA上控制伺服系統(tǒng)所有信號。 USB設(shè)備控制器的核心部分是協(xié)議層SIE模塊，它主要完成USB事務(wù)傳輸控制功能。協(xié)議層SIE對于UTMI傳遞過來的USB包要能進行識別和翻譯。 端點控制模塊用于端點的選擇及端點訪問

6、控制，USB核支持多達16個端點，實際使用時端點數(shù)目可設(shè)置?？刂破鞫急仨毻ㄟ^對端點寄存器讀寫來進行控制。此模塊是由端點和狀態(tài)寄存器構(gòu)成，存放各種狀態(tài)信息和事件數(shù)據(jù)。 每個端點分別定義一套設(shè)置和功能相同但地址不同的寄存器，以端點0為例，它包括端點0狀態(tài)控制寄存器（EP0_CSR），記錄了端點狀態(tài)，包括端點號、端點類型和傳輸類型等一些狀態(tài)屬性的信息。 USB規(guī)范參照網(wǎng)絡(luò)中的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（Open System Interconnect Reference Model，OSI）采用了分層描述。USB規(guī)范把USB系統(tǒng)分為三層，即接口層、設(shè)備層和應(yīng)用層。 （二）物理層面的數(shù)字部分設(shè)計 USB接口

7、的物理層包括數(shù)字和模擬兩部分。本文只實現(xiàn)了物理層的數(shù)字部分。UTMI模塊含有接收狀態(tài)機、發(fā)送狀態(tài)機、接口狀態(tài)引擎和速度識別引擎4部分組成。接收/發(fā)送狀態(tài)機分別為接收和發(fā)送數(shù)據(jù)部分的核心控制邏輯，控制著對數(shù)據(jù)操作的順序，接口狀態(tài)引擎用于跟蹤接口的各狀態(tài)信息，它可以控制串行通信芯片的掛起/恢復(fù)工作模塊，還可以控制芯片的全速/高速通信速率的轉(zhuǎn)換。接口狀態(tài)引擎子模塊采用一個內(nèi)部狀態(tài)機保持各狀態(tài)信息和芯片操作模塊轉(zhuǎn)換的信息。這些信息放在狀態(tài)寄存器中。速度識別引擎用來判斷串行數(shù)據(jù)通信的速率，并處理芯片掛起和復(fù)位操作的數(shù)據(jù)流方向。 （三）串行接口引擎即協(xié)議層設(shè)計 設(shè)備控制器的核心部分是串行接口引擎即協(xié)議層模

8、塊，它主要完成USB事務(wù)傳輸控制功能。協(xié)議層對于UTMI接口傳遞過來的USB包要能進行識別和翻譯。同時該模塊判斷出當前的傳輸事務(wù)是何種類型，根據(jù)USB事務(wù)傳輸機制適時發(fā)送正確的USB包，由收發(fā)器傳遞給UTMI模塊處理。該模塊的結(jié)構(gòu)主要包括：打包模塊、解包模塊和協(xié)議引擎模塊。協(xié)議層中的打包模塊專門負責組裝USB包，如果有需要發(fā)送的USB包，則送往打包模塊組裝，先組裝包頭，插入適當?shù)腜ID，然后加入數(shù)據(jù)字段和校驗字段。 如果有UTMI模塊傳遞過來的USB包，則送往解包模塊拆裝，先解碼出PID，八位PID的低四位得到PID，通過USB2.0協(xié)議的PID類型定義譯出PID，再對其后的數(shù)據(jù)字段進行校驗并

9、和包中校驗字段比較。 （四）控制設(shè)備傳輸層面設(shè)計 應(yīng)用層不負責具體的傳輸，它控制設(shè)備傳輸哪些數(shù)據(jù)，由主機的用戶軟件和設(shè)備的功能單元組成，功能單元是用戶軟件對USB設(shè)備的抽象。設(shè)備的功能主要在這一層上實現(xiàn)。功能單元提供每個USB設(shè)備所需的特定功能，主機端包括用戶軟件和設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備端的功能由功能單元來實現(xiàn)，他們之間的聯(lián)系看作是邏輯上的數(shù)據(jù)流。 數(shù)控系統(tǒng)的性能一定程度上是由系統(tǒng)參數(shù)決定，如何正確傳輸和設(shè)置這些參數(shù)是也是實現(xiàn)直接數(shù)字通信的關(guān)鍵問題，參數(shù)的正確傳輸與否直接影響機床正常的工作及其性能的發(fā)揮。通常一個數(shù)控系統(tǒng)都有大量參數(shù)，少則幾十個，多則上千，這里我們僅選取一個關(guān)鍵參數(shù)的傳輸來說明數(shù)據(jù)

10、如何在這一層上進行傳輸。 在完成以上物理層和協(xié)議層的設(shè)計后，首先根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)把由一組指令實現(xiàn)的某種功能對應(yīng)的程序存入存儲器中，用一個命令代表這些功能。編寫控制程序時只要寫出該代表命令，就能實現(xiàn)這些功能。 參數(shù)的存儲由于數(shù)控機床的參數(shù)是需要根據(jù)機床的狀況進行更改的，所以參數(shù)都保存在可讀寫的存儲區(qū)內(nèi)。本文設(shè)計了16個端點，每個端點的存儲區(qū)都可以存參數(shù)、程序、參數(shù)等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)當前的數(shù)據(jù)可以存放在任何一個區(qū)中，也可以從任一區(qū)域讀數(shù)據(jù)作為當前使用的數(shù)據(jù)。 三、結(jié)語 本文首先介紹了USB系統(tǒng)的邏輯體系結(jié)構(gòu)，接著講述了USB協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)通信機制，數(shù)據(jù)傳輸格式，信息包的組成和分類，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?種方式，本文結(jié)

11、合本系統(tǒng)選擇中斷和控制傳輸方式，講述和USB設(shè)備控制器設(shè)計相關(guān)的一些基本概念，描述符的具體設(shè)置及通信配置。根據(jù)USB協(xié)議先對USB設(shè)備控制器進行功能模塊劃分，對各部分進行說明。完成對物理層和協(xié)議層的設(shè)計，給出了設(shè)計生成的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，接口信號，數(shù)據(jù)傳輸流程。 參考文獻： 【1】逢田宏樹，菊池隆裕，枝洋樹.從UWB到無線USB.電子設(shè)計應(yīng)用，2004，05：51-55 【2】Intel Corporation. Designing a Robust USB Serial Interface Engine （SIE）.http：//developers/whitepapers/siewp.pdfs. 【3】Trenz Ele