大學《接口與通信》499714192

1、U S B 1.1vUSB 1.1 簡 述vUSB 1.1結構與原理vUSB 1.1與RS-232比較vUSB 1.1與RS-232的轉換vUSB 1.1與IEEE-1394比較vUSB的應用與實例U S B 簡 介USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”，它是一種新興的計算機外圍串行通信接口標準，它克服傳統(tǒng)計算機串/并口的缺陷，具有熱插拔，即插即用，數(shù)據(jù)傳輸可靠，擴展方便，低成本等優(yōu)點，已成為當前計算機必備的接口之一，同時也被廣泛地應用于嵌入式系統(tǒng)設計中。U S B 優(yōu) 點v使用簡單所用USB系統(tǒng)的接口一致，連線簡單。系統(tǒng)可對設備進行自動檢測和配

2、置，支持熱插拔。新添加設備系統(tǒng)不需要重新啟動 。v應用范圍廣USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報文附加信息少，帶寬利用率高，可同時支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統(tǒng)最多可支持127個物理設備。USB設備的帶寬可從幾Kbps 到幾Mbps (在USB2.0版本，最高可達幾百Mbps)。一個USB系統(tǒng)可同時支持不同速率的設備，如低速的鍵盤、鼠標，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設備)。 v較強的糾錯能力USB系統(tǒng)可實時地管理設備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，同時根據(jù)不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。v總線供電USB總線可為連接在其上的設備提供5

3、V電壓/100mA電流的供電，最大可提供500mA的電流。USB設備也可采用自供電方式。v低成本USB接口電路簡單，易于實現(xiàn)，特別是低速設備。USB系統(tǒng)接口/電纜也比較簡單，成本比串口/并口低。典型USB系統(tǒng)拓撲結構USBHOST在一個USB系統(tǒng)中，當且僅當有一個USB HOST時，USB HOST有以下功能 ： 管理USB系統(tǒng) ； 每毫秒產生一幀數(shù)據(jù) ； 發(fā)送配置請求對USB設備進行配置操作； 對總線上的錯誤進行管理和恢復。 USBDEVICE 在一個USB系統(tǒng)中，USB DEVICE和USB HUB總數(shù)不能超過127個。USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)包的地址域來

4、判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進行數(shù)據(jù)傳輸 。USBHUBUSB 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USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST。一般來說，USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統(tǒng)的級聯(lián)不能超過5級（包括RO

5、OT HUB）。 USB 總線協(xié)議 USB采用投票式總線結構，并由主機系統(tǒng)的 USB 接口（即主控器）按照預定原則發(fā)起所有的數(shù)據(jù)傳輸。多數(shù)總線傳輸包括 3種信息包，即令牌包(Token Pocket).數(shù)據(jù)包(Data Pocket)和握手包(Handshake pocket)。每次數(shù)據(jù)傳輸首先由主控器發(fā)送 1個 USB令牌包。該包包含 PID類型標志、傳輸方向(由主機到終端或由終端到主機.)、USB設備地址和端口地 址 ，然 后 由 數(shù) 據(jù) 源 傳 輸 一 個 數(shù) 據(jù) 包或者指示當前沒有數(shù)據(jù)傳輸。通常在目的地以 “握手包(Handshake)”進行應答，指示傳輸是否成功。USB 通信的邏輯結

6、構USB與RS-232的比較與常用的串行RS-232總線接口相比，USB總線有著完全不同的系統(tǒng)結構。USB總線在物理連線上要比RS-232接口簡單得多，但在驅動程序上USB總線系統(tǒng)要復雜得多。下面就不同的方面比較USB總線和RS-232總線接口的不同。USB設備連接與RS-232口連接比較USB傳輸時序與RS-232傳輸時序USB驅動程序與RS-232驅動程序USB與RS-232轉換的實現(xiàn)1 方案討論2 芯片介紹3 硬件（FT232BM）4 軟件方案討論之一v雖然RS232與USB都是串行通信,但無論是底層信號電平定義、機械連接式,還是數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議,兩者都完全不同.設計USB/RS232

7、轉換器的方法有好幾種:一種方法是采用通用的USB控制器,利用其內置的通用異步收發(fā)器(UART)在USB與RS232之間進行信號轉換,例如EZ-USB、PICI6C745、CY7C68013等 方案討論之二v若沒有內置UART,也可以利用通用I/O口模擬RS232的收發(fā)過程;另外還可以采用單獨的USB接口收發(fā)器芯片,如ISP1581、PDIUSBD11/12等,但這種方法需要另配微控制器才能工作 方案討論之三v第三種是采用專用的USB/RS232雙向轉換芯片,如FTDI(future technology devices international)公司的FT8U232AM、FT232BM,這種

8、方法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉換工作全部由芯片獨立完成,而無需干預,也不用編寫芯片的固件.v下面著重介紹第三種方案.芯片介紹外型及引腳轉換電路驅動軟件v當FT232BM轉換器連接到主機后,必須在PC機上安裝一個由FTDI免費提供的虛擬串行口驅動程序,它有Windows98、 Windows98 se、 Windowsme等不同版本.設備的原Windows應用程序不必修改,可以像存取一個標準的物理串口一樣訪問這個虛擬串口,而本質上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是以USB總線傳輸來完成的.但在設備一方,收發(fā)的都是RS232數(shù)據(jù).編程實現(xiàn)vFT232BM的最大優(yōu)勢在于產品開發(fā)者不必設計固件,總線枚舉、數(shù)

9、據(jù)收發(fā)與轉換等全部由芯片自動完成,但產品的VID/PID、設備序列號、設備說明性文字等必須由自己來編寫,這是設計者唯一需要編程的地方,編寫的應用程序由FTDI提供.轉換器不帶EEPROM芯片照樣可以工作,但這時的設備描述符是默認的FTDI公司提供的內容.產品開發(fā)者若想改變它則必須外接一片EEPROM,并寫入自己的VID/PID 。USB與IEEE-1394的比較總線特性USBIEEE-1394拓撲結構星型，僅HOST為主設備，其它為從設備菊花鏈型，每個節(jié)點都可作為主設備，可通過1394橋連接不同總線最大設備數(shù) 支持127個節(jié)點（通過HUB級聯(lián)）單個1394總線上支持64個節(jié)點，通過1394橋可

10、擴展64000個節(jié)點連線特征線長5m，包含2根數(shù)據(jù)線、2根電源線線長4.5m，包含4根數(shù)據(jù)線、2根電源線熱插拔支持熱插拔支持熱插拔總線特性USBIEEE-1394數(shù)據(jù)傳輸方式串行、異步、差分、半雙工，支持控制、中斷、批量、實時傳輸串行、異步、差分、全雙工，支持異步、實時傳輸數(shù)據(jù)編碼NRZIDslink傳輸速度USB1.1：低速1.5Mb/s，全速12Mb/sIEEE-1394a：400Mb/s；IEEE-1394b：3.2Gb/s接口成本低高應用方向鼠標、鍵盤、Modem、語音（USB1.1）圖象、高速存儲設備帶USB接口的PC（百萬）帶USB接口的外設（百萬）USB在PC機上的典型應用USB

11、在監(jiān)控系統(tǒng)方面的應用技術在工業(yè)測控中的應用v工業(yè)測控中的關鍵環(huán)節(jié)之一是數(shù)據(jù)采集。隨著控制要求不斷提高,對采集系統(tǒng)的精度和實時性都提出了更高的要求,使系統(tǒng)外設間的數(shù)據(jù)傳輸量迅速增加。傳統(tǒng)測控采樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式已不能適應要求,技術以其高速傳輸、性能穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點成為較好地解決方案。傳統(tǒng)工業(yè)測控中數(shù)據(jù)傳輸方法的弊端v在沒有引入技術之前,數(shù)據(jù)采集芯片將數(shù)據(jù)傳送至主機一直需要板卡作為接口。這樣設置一方面造成主機插槽資源緊張,影響系統(tǒng)擴展;另一方面在每次升級采樣設備后,以前的板卡往往需要同時更換,使系統(tǒng)更新升級費用增加。v 同時,采集芯片進行數(shù)據(jù)傳輸時,一般采用異步串型通信方式。由于異步串型通信

12、傳送每一個字符都含有起始位、停止位、校驗位,且字符間有多位空閑位,使傳送數(shù)據(jù)過程中產生了20%的冗余數(shù)據(jù);而單獨采用RS-232-c 、RS-422 、RS-485等協(xié)議在采樣設備和主機間進行數(shù)據(jù)傳輸,整個系統(tǒng)的傳輸速度并不是很快。當測控系統(tǒng)對采樣的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性有較高要求時,采樣系統(tǒng)需要傳回主機的數(shù)據(jù)量會大大增加,傳統(tǒng)的總線傳輸難以適應,有可能造成數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)實時性降低,同時也給系統(tǒng)維護帶來不便。采用技術提升系統(tǒng)性能基本思想 將技術應用于傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)與原有結構相結合,主要是在采集設備數(shù)據(jù)傳至主機之前,先進行協(xié)議轉換,即將用-232-、-485協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉換成用協(xié)議傳輸,再由U

13、SBub經USBost傳至主機,進行分析處理。因此,轉換芯片是實現(xiàn)向協(xié)議轉換的關鍵環(huán)節(jié)。以采用-232-協(xié)議進行傳輸?shù)南到y(tǒng)為例,傳感器采集的模擬量進行/轉換后,利用-232-協(xié)議上傳至USB轉換芯片(如ScanLogic公司的SLIIR等)。轉換芯片將數(shù)據(jù)轉換成USB協(xié)議形式傳送至主機進行分析處理。由于USB總線傳送拆分信號,所有通信由USBHost初始化。所以在多采樣點高頻環(huán)境中,用設備傳送數(shù)據(jù)抗干擾能力強、系統(tǒng)配置方便。同樣當主機有數(shù)據(jù)發(fā)送時,由于轉換器是雙向的,數(shù)據(jù)也可按照與上傳過程相反的處理過程到達測量端。整個過程如圖2所示。采樣系統(tǒng)中的硬件和軟件構成實際應用中的采樣系統(tǒng)一般由以下幾個

14、基本功能部分組成:傳感器、/(/)轉換器、微控制器、轉換芯片等。從系統(tǒng)造價和以后升級方便的角度來考慮,采用單片機與轉換芯片分別置備,再組合使用的方案較為適宜。采樣系統(tǒng)的軟件主要是指設備的驅動程序和單片機程序。單片機程序的編寫較為復雜,而設備驅動程序的編寫相對簡單,通常采用Windows DDK 、 Driver Works等專用編寫工具進行編寫。編寫設備驅動程序前,應注意選擇好數(shù)據(jù)的傳送方式,具體細節(jié)讀者可參閱相關開發(fā)程序文檔。計算機USB口與CAN總線的通信v 總線（ControllerAreaNetWork 控制器局域網）作為現(xiàn)場總線的一種，是 世紀 年代德國 Bosch汽車公司制定的一種串行通訊協(xié)議，主要為用于汽車多個控制設備和多個儀器儀表之間的數(shù)據(jù)通訊，鏈路層采用 .0 協(xié)議。v 該總線與其它通信網的不同之處有二：一是報文傳送中不包含目標地址，它是以全網廣播為基礎，各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質的標識符過濾報文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線上網和下網、即插即用和多站接收；二是特別強化了對數(shù)據(jù)安全性的關注，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求?，F(xiàn)在，它已廣泛應用于各種工業(yè)現(xiàn)場，特別適用于進行優(yōu)化、分析及維護系統(tǒng)之用。系統(tǒng)的結構與組成v系統(tǒng)設計的思想應該是模塊的一端接計算機 接口，而另一端接 網絡，所設計的- 模塊起兩者之間橋梁的作用。由于 協(xié)議是