USB设备的从动端分析与应用设计固件程序设计Word格式.docx
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石广范
2004年5月8日
姓名
成绩:
毕业论文(设计)题目
USB设备的从动端分析与应用设计——固件程序设计
指导教师评语
签名:
年月日
答辩委员会评语
主任签名:
院学术委员会意见
院学术委员会主任签名:
年月日学院公章:
摘要
USB(UniversalSerialBus通用串行总线)是计算机领域中一种全新的工业标准,其技术和产品正在迅猛的发展中。
因此,研究USB总线的体系架构和开发技术很有必要。
本文在实验室现有硬件和软件基础上,研究了USB的接口规范和软硬件开发方法,并应用于实际,设计出了用USB实现的温度采集系统。
本文围绕设计目标,在简要叙述USB1.1总线协议的基础上,主要论述了两个方面的内容:
固件程序的开发和DS1620的使用方法。
设备以AT89S52单片机作为控制器,Philips公司的PDIUSBD12作USB收发器,用DALLAS公司的DS1620进行温度采集,采用中断数据传输方式实现数据传输。
关键词
USB;
WDM;
PDIUSBD12;
温度采集;
DS1620
ABSTRACT
USB(UniversalSerialBus)isacompletelynewindustrystandardinthefieldofcomputer.Itstechnologyandproductaretremendouslydeveloping.Therefore,ItisnecessarytoresearchtheframeanddevelopingtechnologyofUSB.Basedonthehardwareandsoftwarethatourlaboratoryishaving,thispaperresearchestheinterfacestandardandsoftware-hardwaredevelopingmethodsofUSB,applyitintotheactualenvironment,anddesignedthetemperaturecollectionsystem.
Centeringonthedesigningobject,outliningtheUSB1.1protocol,thispapermainlyexpoundtwoaspectsofcontent:
thedevelopingoffirmwareprogramandemploymentofDS1620.UsingAT89S52ascontrolappliance,PDIUSBD12ofPhilipsCorp.asUSBreceiving-transmittingappliance,thedevicecollecttemperaturewithDS1620ofDALLASCorp.,andadoptinterruptdatatransmittingtorealizedatatransition.
Keywords
temperaturecollection;
前言
一、本文研究的主要内容
USB总线在各个领域中迅速得到应用,以取代老式的RS-232以及EPP并口等总线,研究USB总线有重要的实用价值。
然而,接口的简单意味着协议的复杂,怎样在现有的实验条件下快速的使用USB总线开发应用设备便成了我们的研究目标。
在仔细分析了现有设备和源代码的基础上,我们设计实现了一个采用USB总线实现的温度采集设备,在下位机我们使用了DS1620数字式温度传感器,并在上位机设计了客户服务程序,DS1620定时对室温进行采集,可以实时监视室内温度。
关键的一点是,其接口使用了USB进行实现,可以适应未来机器多使用USB总线的需求。
由于本系统对数据传输的速度没有太过苛刻的要求,因此我们使用了USB总线的控制传输方式。
二、USB发展情况
USB全称为UniversalSerialBus(通用串行总线),是1994年底由IBM、Intel、Compaq、DEC、Microsoft、NEC和NorthernTelecom共同开发的PC外设接口标准
,由于其具有使用方便及成本低廉等优点,迅速得到业界的强力支持,目前己经成为主流的总线标准,2001年USB设备出货量已超过3亿台。
USB广泛应用于传统PC外设,如鼠标、键盘、显示器等,移动存储设备如移动硬盘、闪存盘等,以及新兴的消费类电子,如MP3播放器、数码相机、移动电话等。
同时其应用范围也在不断扩大,工业自动化仪器仪表正在成为USB应用的热点之一。
USB最初推出的是1.X版本,其总线传输速度较低,为12Mbps
,1998年推出了USB2.0,将数据传输速度提高到了480Mbps,在保持了USBI.1的优点的基础上,保证了向下兼容性,可以完全支持各种USB1.x的产品。
USB2.O满足了高端应用对总线带宽的需求,从2002年下半年起,采用USB2.O的设备开始大规模出现,预计2004年USB2.O整体出货量将超过3亿台,超过USB1.1的出货量。
随着USB设备的迅速增加,设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切,USBOTG(ONTHEGO)技术应运而生了,它于2001年12月底制定,赋予了设备双重身份,即既可以作为主机,又可以作为设备,其实质是在设备中增加了一个嵌入式计算机来执行主机任务。
这一技术使USB设备摆脱了对PC的依赖,大大扩展了USB的应用范围,并结合USB2.0高速传输技术,严重威胁到IEEE1394的市场。
三、USB的设计目标
USB的设计有三大目标
:
(1)计算机与电话之间的连接:
对声音音频和压缩视频等实时数据给予充分支持,可以广泛地连接计算机和电话,这一应用目标到目前为完全实现。
(2)易用性:
强调即插即用、总线供电等特性,以方便用户使用。
(3)端口扩充:
提供快速、双向、统一且价格低廉的串行接口,可以满足PC机发展的现在和未来的需要。
从中我们可以看出,USB标准的制定从市场出发,立足于满足用户的实际应用需求,尽管它的性能指标并不突出,但正是这一点使得它获得了极大的成功。
四、USB的性能特点
(1)终端用户的易用性:
·
为连接电缆和连接头提供了单一模型;
电气特性与用户无关;
自我检测外设,自动地进行设备驱动设置;
可动态连接,动态重置外设。
(2)广泛的应用性:
适应不同设备,提供低速传输(1.5Mbps)和全速传输(12Mbps);
支持对多个设备的同时操作;
可同时操作127个物理设备;
在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流;
支持多功能的设备;
利用低层协议,提高了总线利用率。
(3)同步传输带宽:
确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用;
同步工作可以利用整个总线带宽。
(4)灵活性:
可以选择一系列大小的数据包,允许对设备缓冲器大小进行选择;
通过指定数据缓冲区大小和执行时间,支持各种数据传输率;
通过协议对数据流进行缓冲处理。
(5)健壮性:
出错处理/差错恢复机制在协议中使用;
对用户的感觉而言,热插拔是完全实时的;
可以对有缺陷设备进行认定。
(6)与PC产业的一致性:
协议的易实现性和完整性;
与PC机的即插即用的体系结构的一致;
对现存操作系统接口的良好衔接。
(7)成本低廉
以低廉的价格提供1.5兆比特率的子通道设施;
将外设和主机硬件进行了最优化的集成;
促进了低价格的外设的发展;
廉价的电缆和连接头;
运用了商业技术。
四、USB系统组成
一个USB系统被定义为三个部分:
USB的互连、USB设备和USB主机。
(一)USB的互连
USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作,主要包括以下几方面:
总线的拓扑结构:
指明了USB设备与主机之间的连接方式;
数据流模式:
描述了数据在系统中通过USB从产生到使用方的流动方式;
USB的调度:
USB提供多个设备共享的连接,对USB设备必须进行调度以分配带宽。
图1(a)USB物理连接
逻辑设备主机
逻辑设备逻辑设备
图1(b)USB逻辑连接
USB物理互连方式如图1(a)
所示,是一种星形级连结构。
集线器(Hub)位于每级星形的中心。
这种集线器级连的方式使得外设的扩展很容易(USB协议规定最多允许5级集线器进行级连;
USB逻辑互连方式如图1(b)所示,各个设备好象是与主机直接相连的,它们之间的通信不用关心物理连接方式。
数据流模式对于USB设备的实现是最关键的,我们将在下一章对其单独进行描述。
USB的调度是针对多个设备互连的,不属于功能设备开发者需要关心的内容,在此不作描述。
(二)USB设备
USB设备包括USB集线器和功能设备(Function)两大类。
它们都必须有标准的USB接口,符合USB协议,支持标准的USB操作(如配置,复位等)。
它们的描述信息也必须具有USB协议定义的标准格式。
集线器为USB总线提供扩展和连接;
功能设备是具有一定特殊应用功能的设备,它能发送数据到主机,也可以接收来自主机的数据和控制信息。
(三)USB主机
USB主机是USB系统的核心。
在一个USB系统中只有一台主机。
主机的USB接口称为USB控制器,通过它主机和外围USB设备进行通信。
在主机中还集成了一个根集线器(RootHub)用于直接与外设相连或与一般USBHub级连。
主机所具有的功能包括:
检测USB设备的插入和拔出;
管理主机与设备之间的数据流,对设备进行必要的控制;
收集各种状态信息;
对插入的设备供电。
第一章USB数据传输协议
一、USB电气特征及电平信号
USB采用四线电缆,由电源线(Vbus)、地线(GND)和两根数据线(D
和D
)组成,如图1-1
所示。
数据线传输差模信号,以降低噪声干扰。
可以看出,任何时刻USB总线上最多只能有一位数据在传输,所以USB是一种完全按照时序进行控制和数据传输的总线。
图1-1USB电缆结构
USB具有差分NRZI(不归零倒置)代码格式。
在这种NRZI波形中,d(n-1)位和d(n)位之间如果有状态变化(称为过渡),就被解码为一个二进制b(n)=0的数据位,没有过渡就被解码为一个二进制b(n)=1的数据位,如图1-2
图1-2NRZI数据编码
为了确保信号发送的准确性,当在USB上发送一个包时,传输设备就要进行位插入操作。
所谓位插入操作是指在数据被编码前,在数据流中每六个连续的‘1’后插入一个‘0’,从而强迫NRZI码发生变化,位插入操作由传输端强制
执行,任何数据都将被执行位插入操作,如图1-3
接收端必须能对NRZI
数据进行解码,识别插入位并去掉它们。
位插入
在全速
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