大學(xué)《接口與通信》499714192

1、U S B 1.1vUSB 1.1 簡 述vUSB 1.1結(jié)構(gòu)與原理vUSB 1.1與RS-232比較vUSB 1.1與RS-232的轉(zhuǎn)換vUSB 1.1與IEEE-1394比較vUSB的應(yīng)用與實(shí)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(jì)算機(jī)外圍串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它克服傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)串/并口的缺陷，具有熱插拔，即插即用，數(shù)據(jù)傳輸可靠，擴(kuò)展方便，低成本等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)必備的接口之一，同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。U S B 優(yōu) 點(diǎn)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(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測和配

2、置，支持熱插拔。新添加設(shè)備系統(tǒng)不需要重新啟動(dòng) 。v應(yīng)用范圍廣USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文附加信息少，帶寬利用率高，可同時(shí)支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個(gè)USB系統(tǒng)最多可支持127個(gè)物理設(shè)備。USB設(shè)備的帶寬可從幾Kbps 到幾Mbps (在USB2.0版本，最高可達(dá)幾百M(fèi)bps)。一個(gè)USB系統(tǒng)可同時(shí)支持不同速率的設(shè)備，如低速的鍵盤、鼠標(biāo)，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設(shè)備)。 v較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力USB系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地管理設(shè)備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯(cuò)誤管理、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能，同時(shí)根據(jù)不同的傳輸類型來處理傳輸錯(cuò)誤。v總線供電USB總線可為連接在其上的設(shè)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(shè)備也可采用自供電方式。v低成本USB接口電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，特別是低速設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)USBHOST在一個(gè)USB系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)有一個(gè)USB HOST時(shí)，USB HOST有以下功能 ： 管理USB系統(tǒng) ； 每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù) ； 發(fā)送配置請求對USB設(shè)備進(jìn)行配置操作； 對總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)。 USBDEVICE 在一個(gè)USB系統(tǒng)中，USB DEVICE和USB HUB總數(shù)不能超過127個(gè)。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(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 。USBHUBUSB HUB用于設(shè)備擴(kuò)展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個(gè)USB HOST總與一個(gè)根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個(gè)端口提供100mA電流供設(shè)備使用。同時(shí)，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設(shè)備的插拔操作，并通過響應(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報(bào)給USB HOST。一般來說，USB設(shè)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(jié)構(gòu)，并由主機(jī)系統(tǒng)的 USB 接口（即主控器）按照預(yù)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(gè) USB令牌包。該包包含 PID類型標(biāo)志、傳輸方向(由主機(jī)到終端或由終端到主機(jī).)、USB設(shè)備地址和端口地 址 ，然 后 由 數(shù) 據(jù) 源 傳 輸 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 包或者指示當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)傳輸。通常在目的地以 “握手包(Handshake)”進(jìn)行應(yīng)答，指示傳輸是否成功。USB 通信的邏輯結(jié)

6、構(gòu)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(jié)構(gòu)。USB總線在物理連線上要比RS-232接口簡單得多，但在驅(qū)動(dòng)程序上USB總線系統(tǒng)要復(fù)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(shè)備連接與RS-232口連接比較USB傳輸時(shí)序與RS-232傳輸時(shí)序USB驅(qū)動(dòng)程序與RS-232驅(qū)動(dòng)程序USB與RS-232轉(zhuǎn)換的實(shí)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(jī)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(shè)計(jì)USB/RS232

7、轉(zhuǎn)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(nèi)置的通用異步收發(fā)器(UART)在USB與RS232之間進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換,例如EZ-USB、PICI6C745、CY7C68013等 方案討論之二v若沒有內(nèi)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(dú)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(zhuǎn)換芯片,如FTDI(future technology devices international)公司的FT8U232AM、FT232BM,這種

8、方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作全部由芯片獨(dú)立完成,而無需干預(yù),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(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)軟件v當(dāng)FT232BM轉(zhuǎn)換器連接到主機(jī)后,必須在PC機(jī)上安裝一個(gè)由FTDI免費(fèi)提供的虛擬串行口驅(qū)動(dòng)程序,它有Windows98、 Windows98 se、 Windowsme等不同版本.設(shè)備的原Windows應(yīng)用程序不必修改,可以像存取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理串口一樣訪問這個(gè)虛擬串口,而本質(zhì)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(shè)備一方,收發(fā)的都是RS232數(shù)據(jù).編程實(shí)現(xiàn)vFT232BM的最大優(yōu)勢在于產(chǎn)品開發(fā)者不必設(shè)計(jì)固件,總線枚舉、數(shù)

9、據(jù)收發(fā)與轉(zhuǎn)換等全部由芯片自動(dòng)完成,但產(chǎn)品的VID/PID、設(shè)備序列號、設(shè)備說明性文字等必須由自己來編寫,這是設(shè)計(jì)者唯一需要編程的地方,編寫的應(yīng)用程序由FTDI提供.轉(zhuǎn)換器不帶EEPROM芯片照樣可以工作,但這時(shí)的設(shè)備描述符是默認(rèn)的FTDI公司提供的內(nèi)容.產(chǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型，僅HOST為主設(shè)備，其它為從設(shè)備菊花鏈型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主設(shè)備，可通過1394橋連接不同總線最大設(shè)備數(shù) 支持127個(gè)節(jié)點(diǎn)（通過HUB級聯(lián)）單個(gè)1394總線上支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過1394橋可

10、擴(kuò)展64000個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)傳輸串行、異步、差分、全雙工，支持異步、實(shí)時(shí)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(yīng)用方向鼠標(biāo)、鍵盤、Modem、語音（USB1.1）圖象、高速存儲設(shè)備帶USB接口的PC（百萬）帶USB接口的外設(shè)（百萬）USB在PC機(jī)上的典型應(yīng)用USB

11、在監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)測控中的應(yīng)用v工業(yè)測控中的關(guān)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(shí)時(shí)性都提出了更高的要求,使系統(tǒng)外設(shè)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(yīng)要求,技術(shù)以其高速傳輸、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)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(shù)之前,數(shù)據(jù)采集芯片將數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)一直需要板卡作為接口。這樣設(shè)置一方面造成主機(jī)插槽資源緊張,影響系統(tǒng)擴(kuò)展;另一方面在每次升級采樣設(shè)備后,以前的板卡往往需要同時(shí)更換,使系統(tǒng)更新升級費(fèi)用增加。v 同時(shí),采集芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),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(gè)字符都含有起始位、停止位、校驗(yàn)位,且字符間有多位空閑位,使傳送數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生了20%的冗余數(shù)據(jù);而單獨(dú)采用RS-232-c 、RS-422 、RS-485等協(xié)議在采樣設(shè)備和主機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,整個(gè)系統(tǒng)的傳輸速度并不是很快。當(dāng)測控系統(tǒng)對采樣的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有較高要求時(shí),采樣系統(tǒng)需要傳回主機(jī)的數(shù)據(jù)量會(huì)大大增加,傳統(tǒng)的總線傳輸難以適應(yīng),有可能造成數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低,同時(shí)也給系統(tǒng)維護(hù)帶來不便。采用技術(shù)提升系統(tǒng)性能基本思想 將技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)與原有結(jié)構(gòu)相結(jié)合,主要是在采集設(shè)備數(shù)據(jù)傳至主機(jī)之前,先進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,即將用-232-、-485協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用協(xié)議傳輸,再由U

13、SBub經(jīng)USBost傳至主機(jī),進(jìn)行分析處理。因此,轉(zhuǎn)換芯片是實(shí)現(xiàn)向協(xié)議轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以采用-232-協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)為例,傳感器采集的模擬量進(jìn)行/轉(zhuǎn)換后,利用-232-協(xié)議上傳至USB轉(zhuǎn)換芯片(如ScanLogic公司的SLIIR等)。轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB協(xié)議形式傳送至主機(jī)進(jìn)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(diǎn)高頻環(huán)境中,用設(shè)備傳送數(shù)據(jù)抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)配置方便。同樣當(dāng)主機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),由于轉(zhuǎn)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(dá)測量端。整個(gè)過程如圖2所示。采樣系統(tǒng)中的硬件和軟件構(gòu)成實(shí)際應(yīng)用中的采樣系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)

14、基本功能部分組成:傳感器、/(/)轉(zhuǎn)換器、微控制器、轉(zhuǎn)換芯片等。從系統(tǒng)造價(jià)和以后升級方便的角度來考慮,采用單片機(jī)與轉(zhuǎn)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(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和單片機(jī)程序。單片機(jī)程序的編寫較為復(fù)雜,而設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(jìn)行編寫。編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序前,應(yīng)注意選擇好數(shù)據(jù)的傳送方式,具體細(xì)節(jié)讀者可參閱相關(guān)開發(fā)程序文檔。計(jì)算機(jī)USB口與CAN總線的通信v 總線（ControllerAreaNetWork 控制器局域網(wǎng)）作為現(xiàn)場總線的一種，是 世紀(jì) 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(gè)控制設(shè)備和多個(gè)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(wǎng)的不同之處有二：一是報(bào)文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報(bào)文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線上網(wǎng)和下網(wǎng)、即插即用和多站接收；二是特別強(qiáng)化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)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(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場，特別適用于進(jìn)行優(yōu)化、分析及維護(hù)系統(tǒng)之用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成v系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想應(yīng)該是模塊的一端接計(jì)算機(jī) 接口，而另一端接 網(wǎng)絡(luò)，所設(shè)計(jì)的- 模塊起兩者之間橋梁的作用。由于 協(xié)議是