2022年USB接口技术及电路设计分析 .pdf
《2022年USB接口技术及电路设计分析 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2022年USB接口技术及电路设计分析 .pdf(7页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、USB接口技术及电路设计分析USB的英文全称为Universal Serial Bus,中文含义是通用串行总线,它是一种快速的,双向的,同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。USB接口使用方便,它可以连接多个不同的设备, 而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快是 USB技术的突出特点之一。全速 USB接口的最高传输率可达12Mb/s, 比串口快了整整100倍,而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s. 这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。 USB接口支持多个不同设备的串列连接,一个USB接口理论上可以连接127个 USB设备。连接方式也十分灵
2、活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub) 把多个设备连接在一起,再同PC机的 USB接口相接。普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统,而USB设备则不需要。正是由于USB的这些特点,使其获得了广泛的应用。到目前为止,USB已经在 PC机的多种外设上得到应用,包括扫描仪,数码相机,数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说,USB是设计外设接口时理想的总线。对于 USB接口芯片,通常分为普通和DMA( 直接存储器存取) 两种工作模式。相对于普通模式, DMA数据传输模式传输速率更快,更适合于视频数字信号等高速、实时信号的传送。但遗憾的是, 国内市场上提
3、供的各种USB接口电路板大部分仅工作在普通模式,缺少对DMA 工作模式的支持, 不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA 模式下的设计开发。 为了解决这个问题,我们对 USB的原理进行了研究,尝试着利用 51单片机结合 PHILIPS 公司的 PDIUSBD12 带并行总线的USB接口器件设计带DMA 工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路,现已设计出了完整的硬件电路。1、USB概述由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求,因此,USB总线技术应运而生。USB(Universal Serial Bus)翻译为中文就是通用串行总线,是由Con
4、paq、DEC 、IBM、Inter 、Microsoft、NEC和 Northen Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器,它支持各种PC与外设之间的连接,还可实现数字多媒体集成。现在生产的PC几乎都配备了USB接口,Microsoft 的 Windows98、NT以及 MacOS 、Linux 、FreeBSD 等流行操作系统都增加了对 USB的支持。USB的主要优点:l 使用方便。连接外设不必再打开机箱; 允许外设热插拔,而不必关闭主机电源。l 速度快。 USB支持三种设备传输速率:1.5 Mb/s( 低速设备 )、12 Mb/s( 中速设备
5、 )和480 Mb/s( 高速设备 ) 。l 独立供电。 USB接口提供了内置电源。l 连接灵活。 一个 USB口理论上可以连接127个 USB设备。连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器Hub,把多个设备连接在一起,再同PC机的 USB口相接。l 成本低。为了把外设连接到PC上, USB提供了一种低成本的解决方案。现在满足USB要求的外设有:调制解调器,键盘,鼠标,光驱,游戏手柄,软驱,扫描仪, 音箱等。 USB总线标准由 1.1 版升级到 2.0 版后,传输率由 12Mbps增加到了 480Mbps,更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点,USB也可以做生
6、产ISDN 以及基于视频的产品。USB 总线结构简单,信号定义仅由2条电源线, 2条信号线组成。2、USB结构与工作原理一个 USB系统可以从三个方面加以描述名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 7 页 - - - - - - - - - (1)USB 互联。(2)USB 设备。(3)USB 主机。USB互联是指一个USB设备与 USB主机相联并和其通信的方式, 它包括:(1) 总线拓扑结构:USB主机和 USB设备的连接模型。(2) 层间关系: USB在系统中
7、的每一层都要完成一定的任务。(3) 数据流模型:USB系统中信源和信息之间的数据传送方式。(4) 任务规划: USB提供可以共享的互联机制。通过规划对互连机制的访问,可以支持同步数据传输。下面简要讨论USB硬件结构和数据流传输。2.1 USB 硬件结构一个 USB系统包含三类硬件设备: USB 主机 (USB HOST)、 USB设备 (USB DEVICE)、USB集线器 (USB HUB)。参见图 2-1 。(1)USB HOST 在一个 USB系统中,当且仅当有一个USB HOST 时, USB HOST 有以下功能 : 管理 USB系统 ; 每毫秒产生一帧数据; 发送配置请求对USB设
8、备进行配置操作; 对总线上的错误进行管理和恢复。(2)USB DEVICE 在一个 USB系统中, USB DEVICE和 USB HUB总数不能超过127个。 USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包,通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包:若地址不符,则简单地丢弃该数据包; 若地址相符,则通过响应USB HOST 的数据包与USB HOST 进行数据传输。(3)USB HUB USB HUB 用于设备扩展连接,所有USB DEVICE都连接在 USB HUB的端口上。一个USB HOST 总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。 USB HUB 为其每个端口提供
9、100mA电流供设备使用。同时,USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作,并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST 。一般来说, USB设备与 USB HUB间的连线长度不超过 5m ,USB系统的级联不能超过5级( 包括 ROOT HUB) 。USB总线最多可支持127个 USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构,有1个 USB根集线器 (root hub),下面还可有若干集线器。1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括 4条线: Vbus(USB电源 ) 、D+(数据 ) 、D-( 数据 ) 和 Gnd(USB 地) 。线缆最大长
10、度不超过 5m 。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s( 低速外设的标准速率为1.5Mb/s ,高速外设的标准速率为 12Mb/s) 。 图 2-1 是典型的USB功能器件结构框图,图2-3 是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。图2-3 中: FS为全速 ( 高速 );LS 为低速 ;R1=15k,R2=15k。USB外设可以采用计算机里的电源(+5V,500mA),也可外接USB电源。 在所有的 USB信道之间动态地分配带宽是 USB总线的特征之一, 这大大地提高了USB带宽的利用率。 当一台 USB外设长时间 (3ms以上 ) 不使用时,就处于挂起状态,这时只消耗0.5mA 电流。按
11、USB1.0/1.1 标准, USB的标准脉冲时钟频率为12MHz ,而其总线时脉冲时钟为1ms(1kHz) ,即每隔 1ms,USB器件应为 USB线缆产生 1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开始数据包(SOF)。高速外设长度为每帧名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 7 页 - - - - - - - - - 12000bit(位) ,而低速外设长度只有每帧 1500bit。1个 USB数据包可包含01023字节数据。每个数据包的传送都以1个同步字段开始。
12、2.2 USB 的数据流传输主控制器负责主机和USB设备间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口,每个接口由0个或多个管道组成,它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。USBD为主机软件的现实需求建立了接口和管道,当提出配置请求时,主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。USB支持四种基本的数据传输模式:控制传输, 等时传输, 中断传输及数据块传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端,则具有不同的性质。控制传输类型: 支持外设与主机之间的控制,状态,配置等信息的传输,为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类
13、型,这样主机与外设之间就可以传送配置和命令 / 状态信息。等时传输类型:支持有周期性,有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验,故不能保证正确的数据传输,支持像计算机 - 电话集成系统 (CTI) 和音频系统与主机的数据传输。中断传输类型: 支持像游戏手柄,鼠标和键盘等输入设备,这些设备与主机间数据传输量小,无周期性,但对响应时间敏感,要求马上响应。数据块传输类型:支持打印机, 扫描仪, 数码相机等外设,这些外设与主机间传输的数据量大, USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。USB采用分块带宽分配方案,若外设超过当前带宽分配或潜在的要求, 则不能进
14、入该设备。 同步和中断传输类型的终端保留带宽,并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输传输数据。3、USB外设控制器的两种实现方式USB芯片在外设领域的应用面很广。USB外设控制芯片通常包括USB收发器、串行接口引擎 (SIE) 、USB控制器和外设功能等四个模块(SIE 主要以硬件方式处理大多数USB协议, USB控制器负责与PC交互通信信息 ) 。USB控制器一般有两种类型:一种是MCU 集成在芯片里面的,如 Intel的8X930AX 、CYPRESS 的 EZ-USB 、SIEMENS 的 C541U以及 MOTOLORA、National Semiconduc
15、tors等公司的产品 ; 另一种就是纯粹的USB接口芯片,仅处理 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控制芯片优点是CPU与控制器在同一片芯片里,CPU只需要访问一系列寄存器和存储器,便可实现USB口的数据传输,最大限度的发挥 USB高速的特点。而且简化了程序的设计,极大地降低了USB外设的开发难度。缺点是灵活性不够高,开发成本较大。纯粹的 USB接口芯片的优点
16、是系统组成灵活,可根据不同的系统需求,搭配不同的MCU ,具有较高的性能价格比。但因为USB控制器是通过串行口或并行口与MCU 连接,在传输速度方面和开发难度方面不如集成了MCU 的控制芯片。不同的实现方式在设计开销、上市时间、 元器件开销和引脚数方面各有优劣,选择不同的方案意味着在以上各项指标中进行取舍。本文主要介绍PHILIPS 公司的 PDIUSBD12 器件。该芯片是一款性价比很高的USB器件,它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口,设计者可根据需要选择合适的微控制器,灵活性较大,适用于开发低成本且高效的USB外围设备。4、应用:带DMA视频信号接口功能的US
17、B接口电路设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 7 页 - - - - - - - - - 目前, 市场上提供的USB接口电路板很多,但大部分仅使用普通的工作模式,缺少对 DMA 工作模式的支持,不能直接用于象CCD 数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开发。所谓的 DMA 传送方式,全名叫直接存储器存取(Direct Memory Access) 数据传送方式,是指采用专门的硬件(DMA控制器 ) 来执行数据传送。DMA 控制器可以从CP
18、U那里接管系统总线的控制权,并且由本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O 设备的读 /写脉冲等控制信号, 使得数据通过总线,直接在存储器和I/O 设备之间 (或 I/O 设备与存储器之间,存储器与存储器之间) 进行传送。在DMA 接管总线执行数据传送过程中,CPU暂停工作。由于 DMA 传送方式仅仅在需要占用总线传送数据时才暂停CPU的操作, CPU的工作效率极高, 传输数据可由硬件自身控制,大大提高了传送速率,十分适合于高速数据的采集。下面就介绍一下我们利用51单片机结合PHILIPS 公司的 PDIUSBD12 带并行总线的USB接口器件设计带DMA 工作模式的可供视频信号传输的多功
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2022年USB接口技术及电路设计分析 2022 USB 接口 技术 电路设计 分析
限制150内