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USB介面技術研究應用與設計探究

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從U盤、滑鼠、讀卡器、外接光碟機等常用USB裝置,到採用USB介面的電吹風、咖啡爐、剃鬚刀、聖誕樹等千奇百怪的電腦附件,通過一臺電腦的USB周邊裝置使人們享受到了更多的方便和樂趣。USB之所以能夠如此普及並受到大眾歡迎,在於它方便的熱插拔,頻寬大,速度快,可連線裝置多,簡單的網路互聯功能等諸多優點。

USB介面技術研究應用與設計探究

一、USB介面技術傳輸型別及優點

USB是通用序列匯流排(Universal Serial Bus)的簡稱。在計算機使用中,常常利用PC或工控機對各種資料進行資料採集。這其中有很多地方需要對各種資料進行採集,如液位、溫度、壓力、頻率等。常用的採集方式是通過資料採集板卡,如A/D卡以及422、485匯流排板卡等。採用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內環境的干擾,而且由於受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多裝置。而USB介面技術的出現,很好地解決了以上這些衝突,很容易就能實現低成本、高可靠性、多點的資料採集。USB系統主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外設(Peripherals Node)組成系統拓撲結構。

的傳輸型別。USB匯流排包括4種傳輸型別(傳輸管道):(1)控制傳輸型別:用於傳輸控制資訊。(2)塊資料傳輸型別:用於傳輸相對比較大的和突發性強的資料,一般用於印表機、掃描器等。(3)中斷資料傳輸型別:通常用於傳輸裝置反饋回計算機的字元和座標資訊,如滑鼠,鍵盤、遊戲杆等。(4)同步資料傳輸型別:佔用預先分配的頻寬,實時傳輸,例如海量儲存類、印表機類和HID(人機介面)類等。

的主要優點。速度快;USB 2.0將裝置之間的資料傳輸速度增加到了480Mbps,比USB 1.1標準快40倍左右,速度的提高對於使用者的最大好處就是使用者可以使用到更高效的外部裝置,而且具有多種速度的周邊裝置都可以被連線到USB 2.0的線路上,而且無需擔心資料傳輸時發生瓶頸效應。裝置安裝和配置容易;安裝USB裝置不必再開啟機箱,加減已安裝過的裝置完全不用關閉計算機。所有USB裝置支援熱拔插,系統對其進行自動配置,徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設定。易於擴充套件;通過使用Hub擴充套件可撥接多達127個外設。標準USB電纜長度為3m(5m低速)。通過Hub或中繼器可以使外設距離達到30m。能夠採用匯流排供電;USB匯流排提供最大達5V電壓、500mA電流。使用靈活。USB共有4種傳輸模式:控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk),以適應不同裝置的需要。

二、USB的應用與設計

USB的應用主要是資料採集工作,隨著USB應用的日益廣泛,Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等晶片廠商都推出了具備USB通訊介面的微控制器。這些微控制器處理能力強,有的本身就具備多路A/D,構成系統的電路簡單,除錯方便,電磁相容性好,因此採用具備USB介面的微控制器是構成USB資料採集系統較好的方案。USB介面開發中有相當大的工作量是關於USB軟體的開發,USB軟體包括三方面的工作:韌體(firmware)設計,驅動程式設計和主機端應用程式的`設計。

1、韌體設計。韌體是執行在USB晶片上的程式,可採用匯編語言或C語言設計,其主要功能是控制USB晶片接收並處理USB驅動程式的請求、控制USB晶片接收應用程式的控制指令、通過USB晶片存放資料並實時上傳至PC等。

2、驅動程式設計。在Windows平臺下,USB驅動程式由3部分組成:USB裝置驅動程式,USB匯流排驅動程式和USB主控制器驅動程式,他們必須遵循win32驅動程式模型(WDM)。其中,windows作業系統已經提供了處於驅動程式棧底的USB匯流排驅動程式和USB主控制器驅動程式。而USB裝置驅動程式由裝置開發者編寫,通過向USB匯流排驅動程式傳送包含URB(USB Request Block)的IRP(I/0 Request Packet),來實現USB外設之間的資訊交換。當主機應用程式要對USB裝置進行I/0操作時,呼叫Windows API函式對win32子系統進行win32呼叫,由I/O管理器將此請求構造成一個合適的IRP,並把它傳遞給USB裝置驅動程式。USB裝置驅動程式接受到這個IRP後,根據IRP中的包含的具體操作程式碼,構造響應的URB並把他放到一個新IRP中,然後把此IRP傳遞到USB匯流排驅動程式,USB匯流排驅動程式根據IRP中所包含的URB執行響應的操作,USB介面技術研究應用與設計並把操作結果通過IRP返還給USB裝置驅動程式。USB裝置驅動程式接受到此IRP後,將操作結果通過IRP返還I/O管理器。最後,I/O管理器將此IRP中的操作結果返還給應用程式,至此應用程式對USB裝置的一次I/O操作完成。

3、應用程式設計。應用程式工作於使用者模式,使用者模式可以訪問檔案,處理資料,人機互動,不過必須藉助裝置驅動程式來訪問硬體。在VC環境下開發的主機端的應用程式,容易實現了裝置的開啟、關閉、韌體下載、埠配置和檔案傳輸等功能。

USB介面技術的應用正處於高速發展階段。在USB資料採集、USB工業控制等領域已經得到成功的應用。隨著時代的進步和技術的發展,USB必將在更廣闊的領域得到更深層次的應用。