基于单片机的串口通信模块设计说明

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1、. .1绪论1.1 研究背景通信是指不同的独立系统利用线路互相交换数据,它的主要目的是将数据从一端传送到另一端,实现数据的交换。在现代工业控制中,通常采用计算机作为上位机与下层的实时控制与监测设备进行通讯。现场数据必须通过一个数据收集器传给上位机,同样上位机向现场设备发命令也必须通过数据收集器。串行通信因其结构简单、执行速度快、抗干扰能力强等优点,已被广泛应用于数据采集和过程控制等领域。计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有并行通信和串行通信两种。串行通信是指一条信息额各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信的特点是：数据位传送,按位顺序进行,最少只需要一根传输线即可完成,成本低

2、但传送速度快,串行通信的距离可以从几米到几千米 。随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展,人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行监测和控制。PC机具有强大的监控和管理能力,而单片机则具有快速及灵和的控制特点,通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。而随着USB接口技术的成熟和使用的普及,由于USB 接口有着RS-232串口无法比拟的优点,RS-232串口正在逐步地为USB 接口所替代。而在现在的大多数笔记本电脑中,出于节省物理空间和用处不大等原因,RS-232串口已不再设置,这就约束了基于RS-232串

3、口与PC 机联络的单片机设备的使用围。当前USB接口逐步取代RS-232串口已是大势所趋,单片机同计算机的USB通信在实际工作中的应用围也将越来越广。本文所介绍的单片机和PC机的USB通信方法,电路简单,兼容性好,可移植性强,故可作为单片机同计算机的USB通信模块广泛应用于工业和电子产品的开发中。因此研究如何实现PC机与单片机通过USB之间的通信具有非常重要的现实意义。1.2 国外研究现状 由于计算机工业自动控制和检测系统越来越多地采用集总分散系统,而主从式是其中最为普遍的一种方式,因此各种各样主从式总线通信系统的方法不断涌现。目前比较常用的有利用IIC总线传输协议设计的主从式总线通信系统,还

4、有的是利用SPI总线传输协议和USB协议以及串口通信等设计的主从式总线通信系统6,7。由于主从式总线通信系统采用的方法众多,因此目前国外一般是根据实际情况而采用不同的方法去实现主从式通信系统的功能8。比如,如果要设计的主从式通信系统只是小围传送数据,甚至只是板间传送数据,或者要求使用的I/O口很少,而对于数据的抗干扰能力的要求不是很高的话,则采用IIC总线传输协议是最合适不过的了。IIC总线支持任何一种IC制造工艺,并且PHILIPS和其他厂商提供了种类非常丰富的I2C兼容芯片。作为一个专利的控制总线,IIC已经成为世界性的工业标准。每个器件都有一个唯一的地址,而且可以是单接收的器件例如：LC

5、D驱动器或可以接收也可以发送的器件例如：存储器。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作,这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。IIC是一个多主总线,即它可由多个连接的器件控制9。基本的I2C总线规于20年前发布,其数据传输速率最高为100Kbits/s,采用7位寻址。但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加,I2C总线也增强为快速模式400Kbits/s和10位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求10。IIC总线始终和先进技术保持同步,但仍然保持其向下兼容性。并且最近还增加了高速模式,其速度可达3.4Mbits/s。它使得IIC总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用,例如E

6、EPROM和Flash存储器11。而如果需要远距离传输数据,且对数据传送的抗干扰能力要求有点高,则可以使用RS-422或者RS-485协议进行主从式通信系统的设计12。另外,USB协议则是一种比较新型、快速、灵活的总线传输方法,此通信系统通常只有一个主机,利用此方法设计的通信息有如下特点：1适用围广泛,适用于数码相机,高速数据采集等多种设备；2支持热拔插,且此过程由系统自动完成,无需用户干预；3采用菊花链式的星型总线结构,支持多达127个外设同时连接；45Mbps、12Mbps和480Mbps的3种速度模式,可以满足不同外设对速度的要求。USB发展到今天,总共有三种标准：1996年发布的USB

7、1.0,1998年发布的USB1.1以及刚刚发布的最新标准USB2.0,此三种标准最大的差别就在于数据传输率方面,在其他方面也不同程度的改进,总体来说,就目前的USB2.0而言,已经拥有什么出众的性能与传输速率。USB数据线由两对线组成,一对电力线,通过电力线可以为USB设备提供5V电压,允许通过最大电流为500mA,这个数字不算很大,但好在聊胜于无,可以满足一些耗电量较少的设备的需求,通过特殊的USB互联设备,我们还可以用USB口实现双机联网,速度是USB1.1的标准达12Mbps1.5MB/S,可惜仅能进行简单的数据交换,不能称作真正的网络13,14。当所要设计的主从式总线通信系统采用譬如

8、MSP430单片机当主机或者从机时,由于此单片机具有支持SPI的片串行通信接口,所以可以采用SPI总线传输协议进行设计。SPI是英语Serial Peripheral Interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口15。是Motorola首先在器MC68HCXX系列处理器上定义的16。SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议

9、,比如AT91RM9200。串行外围设备接口SPI是一种同步串行接口,因其硬件功能强,与SPI有关的软件就相当简单,可使MSP430单片机有更多的时间处理其他任务。此时,所设计的系统拥有极低的功耗,丰富的片外设,卓越的工作性能和方便灵活等优点17。1.3 本课题研究的主要容本文研究的容共分为五个章节,第一章介绍本课题的研究背景和国外研究现状；第二章介绍串行通信的基本原理；第三章介绍具体USB通信原理；第四章介绍PC机和USB通信的设计,包括两个方面：1硬件设计：单片机及外围电路设计；2软件设计：单片机的通信控制程序, PC机的通信程序。第五章对本文的总结。2串行通信基础2.1 串口通信的基本知

10、识2.1.1并行通信与串行通信微机的信息交换有两种方式进行：串行通信方式和并行通信方式。1.串行通信串行通信的设备是最古老的沟通机制之一。从IBM个人电脑和兼容式电脑的时代开始,几乎所有的计算机都配有一个或多个串行端口和一个并行端口。顾名思义,一个串行端口发送和接收串行数据,一次一位数据。相反,一个并行端口一次发送和接收8位数据,使用8个单独的线路。提示：要使串行通信工作,你只需要一根三根线的电缆1根发送,1根用来接收,1根接地。对于并行通信,你需要采用8条导线。尽管相对较慢的传输速度远低于并行端口,串行端口通信依然因为它简单的设备、高的成本效益以及差错可控性强而成为一个受欢迎的连接选项。图2

11、-1显示了使用串行口连接到计算机的设备。图2-1 一些常见的串行设备,调制解调器,鼠标和路由器虽然今天的消费产品中在串行连接的地方使用USB连接,但还有很多的设备使用串行端口作为与外部世界的唯一连接。一个串行设备一次发送和接收一位数据,有些设备因为在同一时间发送和接收数据,被称为全双工设备。其他可以在任何时间发送或接收被称为单双工。开始传输时,设备先发送一个起始位,其次是数据位。该数据位可以是五,六,七,或8位,基于商定而定。两个发送方和接收器必须设置为相同的数据通信比特或正确的比特率。数据位被发送完后,就会发送一个停止位。一个停止位可以是一位,一个半位,或两位。波特率是数据从一个设备到另一个

12、的传输速度。波特率通常以每秒的位数bps来计量。注意：大多数串行设备传输七,八位数据。为了检测数据已被正确发送,一个可选的校验位可以同数据位在一起。一个校验位可以是以下容：奇数,偶数,mark,space或无空的奇偶位标志几乎总是被使用。使用校验位提供了一个基本的机制,以检测已发送数据损坏,但不保证检查数据本身的错误。然而,校验位可用于改善完整性数据传送。大多数串行端口使用RS232C标准,它指定了一个连接器25针或9针。大多数系列设备使用9针连接器。图2-2 25针和9针串行接口2.并行通信在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电流或电压变化实现的。如果一组数据的各数据位在多条线

13、上同时被传送,这种传输被称为并行通信,如图2-3所示。并行通信时数据的各个位同时传送,可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快,但用的通信线多、成本高,故不宜进行远距离通信。计算机或PLC各种部总线就是以并行方式传送数据的。图2-3并行通信2.1.2串行通信工作模式如果在通信过程的任意时刻,信息只能由一方A传到另一方B,则称为单工。如果在任意时刻,信息既可由A传到B,又能由B传A,但只能由一个方向上的传输存在,称为半双工传输。如果在任意时刻,线路上存在A到B和B到A的双向信号传输,则称为全双工。线就是二线全双工信道。由于采用了回波抵消技术,双向的传输信号不致混淆不清。双工信道有时也将收、发信

14、道分开,采用分离的线路或频带传输相反方向的信号,如回线传输。在串行通信中,数据通常是在两个站如终端和微机之间进行传送,按照数据流的方向可分成三种基本的传送方式：全双工、半双工、和单工。但单工目前已很少采用,下面仅介绍前两种方式。1.半双工方式若使用同一根传输线既作接收又作发送,虽然数据可以在两个方向上传送,但通信双方不能同时收发数据,这样的传送方式就是半双工制,如图2-4所示。采用半双工方式时,通信系统每一端的发送器和接收器,通过收/发开关转接到通信线上,进行方向的切换,因此,会产生时间延迟。收/发开关实际上是由软件控制的电子开关。图2-4半双工方式当计算机主机用串行接口连接显示终端时,在半双

15、工方式中,输入过程和输出过程使用同一通路。有些计算机和显示终端之间采用半双工方式工作,这时,从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来,而不是用回送的办法,所以避免了接收过程和发送过程同时进行的情况。目前多数终端和串行接口都为半双工方式提供了换向能力,也为全双工方式提供了两条独立的引脚。在实际使用时,一般并不需要通信双方同时既发送又接收,像打印机这类的单向传送设备,半双工甚至单工就能胜任,也无需倒向。2.全双工方式当数据的发送和接收分流,分别由两根不同的传输线传送时,通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作,这样的传送方式就是全双工制,如图2-5所示。在全双工方式下,通信系统的每

16、一端都设置了发送器和接收器,因此,能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换,因此,没有切换操作所产生的时间延迟,这对那些不能有时间延误的交互式应用例如远程监测和控制系统十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器,同时,需要2根数据线传送数据信号可能还需要控制线和状态线,以及地线。图2-5全双工2.1.3异步传输和同步传输串行传输中,数据是一位一位按照到达的顺序依次传输的,每位数据的发送和接收都需要时钟来控制。发送端通过发送时钟确定数据位的开始和结束,接收端需要在适当的时间间隔对数据流进行采样来正确的识别数据。接收端和发送端必须保持步调一致,否则数据传输就会出现差错。为

17、了解决以上问题,串行传输可采用以下两种方法：异步传输和同步传输。1.异步传输通常,异步传输是以字符为传输单位,每个字符都要附加1位起始位和1位停止位,以标记一个字符的开始和结束,并以此实现数据传输同步。所谓异步传输是指字符与字符之间的时间间隔是可变的,并不需要严格地限制它们的时间关系。起始位对应于二进制值0,以低电平表示,占用1位宽度。停止位对应于二进制值1,以高电平表示,占用12位宽度。一个字符占用 58位,具体取决于数据所采用的字符集。例如,电报码字符为5位、ASCII码字符为7位、汉字码则为8位。此外,还要附加1位奇偶校验位,可以选择奇校验或偶校验方式对该字符实施简单的差错控制。发送端与

18、接收端除了采用相同的数据格式外,还应当采用相同的传输速率。典型的速率有：9600 b/s、19.2kb/s、56kb/s等。异步传输又称为起止式异步通信方式,其优点是简单、可靠,适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如,计算机与Modem之间的通信就是采用这种方式。它的缺点是通信开销大,每传输一个字符都要额外附加23位,通信效率比较低。例如,在使用Modem上网时,普遍感觉速度很慢,除了传输速率低之外,与通信开销大、通信效率低也密切相关。2.同步传输通常,同步传输是以数据块为传输单位。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列,标记一个数据块的开始和结束,一般还要附加一个校验序列

19、,以便对数据块进行差错控制。所谓同步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的,必须严格地规定它们的时间关系。和异步传输相比,数据传输单位的加长容易引起时钟漂移。为了保证接收端能够正确地区分数据流中的每个数据位,收发双主必须通过某种方法建立起同步的时钟。可以在发送器和接收器之间提供一条独立的时钟线路,由线路的一端发送器或者接收器定期地在每个比特时间中向线路发送一个短脉冲信号,另一端则将这些有规律的脉冲作为时钟。这种技术在短距离传输时表现良好,但在长距离传输中,定时脉冲可能会和信息信号一样受到破坏,从而出现定时误差。另一种方法是通过采用嵌有时钟信息的数据编码位向接收端提供同步信息。3 USB通

20、信原理简介3.1 USB简介USB是英文Universal Serial BUS的缩写,中文含义是通用串行总线。它不是一种新的总线标准,而是应用在PC领域的接口技术。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。不过直到近期,它才得到广泛地应用。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后,USB版本经历了多年的发展,到现在已经发展为2.0版本,成为目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0,各USB版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头,采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来,最多可以连接127个外

21、部设备,并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组,主板上也安装有USB接口插座,而且除了背板的插座之外,主板上还预留有USB插针,可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用注意,在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接,千万不可接错而使设备损坏。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连,并可以通过Hub扩展出更多的接口。USB具有传输速度快USB1.1是12Mbps,USB2.0是480Mbps, USB3.0是5 Gbps,使用方便,支持热插拔,连接灵活,独立供电等优点,可以连接鼠标、键盘

22、、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等,几乎所有的外部设备。USB是一个外部总线标准,用于规电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。 USB接口可用于连接多达127种外设,如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从1996年推出后,已成功替代串口和并口,并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。 3.1.1 USB常用芯片低速 IC,传输速率1.5MBit/SEM78M612: 16PIN,18PIN,20PIN,24PIN,112 BYTE RAM,2K R

23、OM带有A/D,EEPROM,PWM功能,有EP0和EP1两个端点。 EM78M611: 20PIN,24PIN,40PIN,44PIN,144BYTE RAM ,6K ROM,A/D,EEPROM, PWM功能,有EP0,EP1,EP2三个端点。全速 IC：传输速率12MBit/SEM78M680： 20PIN,24PIN,40PIN,44PIN,271 BYTE RAM ,6K ROM,A/D,EEPROM, PWM功能,有5个端点。全速 IC：传输数率12MBIT/SEM77F900: 100PIN;1.3K RAM,16K FLASH,48MHz ;带A/D,PWM,SPI,USB H

24、UB,BB等功能,有4个端点.USB控制芯片：CY7C68013,CH375,CP2102, FT232BL, MAX232,TL16C750等4高速IC：传输速度480Mbit/sUSB控制芯片：FT2232H,cy7c68013等 USB接口定义1脚：VCC 电源2脚：-D 差分负极3脚：+D 差分正极4脚：GND 接地5USB 2.0USB是英文Universal Serial Bus的缩写,中文含义是通用串行总线。它是一种应用在计算机领域的新型接口技术。早在1995年,就已经有个人电脑带有USB接口了,但由于缺乏软件及硬件设备的支持,这些个人电脑的USB接口都闲置未用。1998年后,随

25、着微软在Windows 98中置了对USB接口的支持模块,加上USB设备的日渐增多,USB接口才逐步走进了实用阶段。这几年,随着大量支持USB的个人电脑的普及,USB逐步成为个人电脑的标准接口已经是大势所趋。在主机端,最新推出的个人电脑几乎100%支持USB；而在外设端,使用USB接口的设备也与日俱增,例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。USB设备之所以会被大量应用,主要具有以下优点：1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时,不需要重复关机将并口或串口电缆接上再开机这样的动作,而是直接在电脑工作时,就可以将USB电缆插上使用。2、携带方便。USB设备大

26、多以小、轻、薄见长,对用户来说,同样20G的硬盘,USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量,在想要随身携带大量数据时,当然USB硬盘会是首要之选了。3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘,串口的鼠标键盘,并口的打印机扫描仪,可是有了USB之后,这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接,这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。4、可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口,可以同时连接几个设备,如果接上一个有四个端口的USB HUB时,就可以再连上；四个USB设备,以此类推,尽可以连下去,将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题。但是,为什么又出现了USB

27、2.0呢？它与USB1.1又有何区别？请别急,下面就会谈到了。USB2.0规注意：本文所说的Mbps乃是兆位每秒,并不是我们日常用的兆字节每秒。一字节等于八位。这里有必要先说清楚一下USB2.0规的由来。USB2.0技术规是有由Compaq、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC、Philips共同制定、发布的,规把外设数据传输速度提高到了480Mbps,是USB 1.1设备的40倍！但按照原定计划新的USB 2.0标准只是准备把这个标准定在240Mbps,后来,经过努力将它提高到了480Mbps。由于当时制订的标准有了变化,USB规就产生了三种速

28、度选择：480Mbps、12Mbps、1.5Mbps。 而20XX6月份,当USB2.0标准开始逐渐深入人心之后,USB协会重新命名了USB的规格和标准,也许当时USB协会的举措只是为了更好的统一标准而不至于混乱,但也许USB协会没想到这个标准给闪存盘和MP3市场造成一个混乱的局面。重新命名了USB标准将原先的USB 1.1改成了USB 2.0 Full Speed全速版,同时将原有的USB 2.0改成了USB 2.0 High-Speed高速版,并同时公布了新的标识。不言而喻,高速版的USB 2.0速度当然超过全速版的USB 2.0。目前USB设备虽已被广泛应用,但比较普遍的却是USB1.1

29、接口,它的传输速度仅为12Mbps。举个例子说,当你用USB1.1的扫描仪扫一大小为40M的图片,需要半分钟之久。 这样的速度,让用户觉得非常不方便,如果有好几图片要扫的话,就得要有很好的耐心来等待了。 用户的需求,是促进科技发展的动力,厂商也同样认识到了这个瓶颈。这时, COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB 2.0接口标准。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps,比USB 1.1标准快四十倍左右,速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备,而

30、且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上,而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。所以,如果你用USB 2.0的扫描仪,就完全不同了,扫一40M的图片只需半秒钟左右的时间,一眨眼就过去了,效率大大提高。不言而喻,现在市面上不少闪存盘和MP3采用的USB 2.0,其实就是原来USB1.1的,被USB协会命名为Full Speed的USB2.0版本。速度上只有12Mbps,与高速版的480Mbps有很大的差距。 而且,USB2.0可以使用原来USB定义中同样规格的电缆,接头的规格也完全相同,在高速的前提下一样保持了USB 1.1的优秀特色,并且,USB 2.0的设备不会和USB 1

31、.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。USB 2.0 支持的操作系统：Microsoft* Windows* XP所有版本 Microsoft* Windows* 2000确保已安装最新的服务包 Microsoft Windows 98SE Microsoft Windows Me 要启用 USB 2.0：1。系统重启或加电。 2。在 POST加电自检过程中按F2,进入系统 BIOS 设置程序。 3。使用箭头键向左和向右选择高级菜单。 4。选择USB 配置并按 。 5。启用高速 USB。 6。按F10保存并退出 BIOS 设置程序。 高速 USB 2.0 控制器现在已经启用,在下一次正常启动周

32、期中,操作系统应该检测到新硬件。 3.1.2 USB设备USB设备包括Hub和功能设备,而功能设备又可以细分为定位设备字符设备等等。为了进一步叙述,我们给出端点和管道的概念。端点：每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合,主机只能通过端点与设备进行通讯,以使用设备的功能。每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区,这些端点在设备出厂时就已定义好。在USB系统中,每一个端点都有唯一的地址,这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性。其中包括：传输方式、总线访问、频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等等。端点必须在设备配置后才能生效。端点0通常为控制端点。用于设备初始化参数等。端点1

33、2等一般用作数据端点存放主机与设备间往来的数据。管道：一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接,它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置,管道就存在了。管道有两种类型,数据流管道其中的数据没有USB定义的结构与消息管道其中的数据必须有USB定义的结构管道只是一个逻辑上的概念。所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道。通过控制管道可以获取完全描述USB设备的信息,包括：设备类型、电源管理、配置、端点描述等等只要设备连接到USB上并且上电端点0就可以被访问与之对应的控制管道就存在了。一个USB设备可以分为三个层图如图3-1所示。最底层是总线接口,用来发送与接收包

34、。中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通。一个端点是数据最终的使用者或提供者,它可以看作数据的源或接收端。最上层就是USB设备所提供的功能,比如鼠标或键盘等。图3-1设备层次结构3.1.3USB的不同接口与数据线随着各种数码设备的大量普及,特别是MP3和数码相机的普及,我们周围的USB设备渐渐多了起来。然而这些设备虽然都是采用了USB接口,但是这些设备的数据线并不完全相同。这些数据线在连接PC的一端都是相同的,但是在连接设备端的时候,通常出于体积的考虑而采用了各种不同的接口。绝大部分数码产品连接线的接头除了连在PC上的都一样,另外一头也都是遵循着标准的规格。USB是一种统一的传输规,但是

35、接口有许多种,最常见的就是咱们电脑上用的那种扁平的,这叫做A型口,里面有4根连线,根据谁插接谁分为公母接口,一般线上带的是公口,机器上带的是母口。USB A型公口右上面的图片是最常见的USB A型公口常见Mini B型5Pin接口：接下来就是在数码产品上最常见的接口了,由于数码产品体积所限,所以通常用的是Mini B型接口,但是Mini B型接口也有许多种类。Mini B型5Pin右面的图为Mini B型5Pin接口示意图 这种接口可以说是目前最常见的一种接口了,这种接口由于防误插性能出众,体积也比较小巧,所以正在赢得越来越的厂商青睐,现在这种接口广泛出现在读卡器、MP3、数码相机以及移动硬盘

36、上。下图为：Sony F828上的Mini B型5Pin接口目前采用这种接口的设备目前有SONY相机、摄像机和MP3,Olympus相机和录音笔,佳能相机和惠普的数码相机等等,数量相当繁多。常见Mini B型4Pin接口：除了前面我们看到的最常见的Mini B型5Pin的接口以外,Mini B型还有很多种别的接口,其中的一些也比较常见。Mini B型4Pin右图为：Mini B型4Pin的接口下图为：Mini B型4Pin的接口的转接线缆这种接口常见于以下品牌的数码产品：奥林巴斯的C系列和E系列,柯达的大部分数码相机,三星的MP3产品,SONY的DSC系列,康柏的IPAQ系列产品富士Mini

37、B型4Pin Flat接口：Mini B型4Pin还有一种形式,那就是Mini B型4Pin Flat。顾名思义,这种接口比Mini B型4Pin要更加扁平,在设备中的应用也比较广泛。富士Mini B型4Pin Flat右图为：Mini B型4Pin Flat接口这种接口和前面讲腗INI B型4pin非常类似,但是这种接头更为扁平,所占用的体积更小。这种接口常见于以下设备：富士的FinePix系列,卡西欧的QV系列相机,柯尼卡的产品。我们看到,富士的机器用这种接口的比较多,几乎旧有的机型全是这种接口。不过值得注意的是,富士在最新的S5000和S7000上已经放弃了这种接口,改投Mini B 5

38、Pin的阵营。尼康独有,Mini B型8Pin接口：Mini B型除了前面的4Pin和5Pin的,还有一种就是8Pin的了,这种接头在其他设备上出现的几率就非常少了,通常出现在数码相机上。Mini B型的接口也有3种,一种是普通型的,一种是Round型的,还有一种是24布局的扁平接口。MINI B型8Pin右图为：Mini B型8Pin的接口这种接口适用的设备,据笔者所知目前只有Nikon Coolpix 775一个款型的产品使用这种接口。Mini B型8Pin Round左图为：Mini B型8Pin Round接口这种接口和前面的普通型比起来,就是将原来的D型接头改成了圆形接头,并且为了防

39、止误插在一边设计了一个凸起。这种接头可以见于一些Nikon的数码相机,CoolPix系列比较多见。虽然Nikon一直坚持用这种接口,但是在一些较新的机型中,例如D100和CP2000也都采用了普及度最高的Mini B型5Pin接口。差点儿就普及,8Pin 24接口：除了我们前面见过的Mini B型5Pin的接口,我想大家一定还对下面这种接口非常熟悉,这种接口也曾经相当的普及。Mini B型8Pin 24图为：Mini B型8Pin 24接口这种接口也是一种比较常见的接口了,例如我们熟悉的iRiver的著名的MP3系列,其中号称铁三角的180TC,以及该系列的很多其他产品采用的均是这种接口。这种

40、接口的应用围也还算是广,不过从iRiver自3XX系列全面换成Mini B型5Pin的接口后,这种规格明显没有Mini B型5Pin抢眼了。 USB On-The-Go补充标准USB On-The-Go Supplement 1.0：20XX12月发布。 USB On-The-Go Supplement 1.0a：20XX6月发布,即当前版本。 USB OTG是USB On-The-Go的缩写,是近年发展起来的技术,20XX12月18日由USB Implementers Forum公布,主要应用于各种不同的设备或移动设备间的联接,进行数据交换。特别是PDA、移动、消费类设备。改变如数码照相机、

41、摄像机、打印机等设备间多种不同制式连接器,多达7种制式的存储卡间数据交换的不便。USB技术的发展,使得PC和周边设备能够通过简单方式、适度的制造成本将各种数据传输速度的设备连接在一起,上述我们提到应用,都可以通过USB总线,作为PC的周边,在PC的控制下进行数据交换。但这种方便的交换方式,一旦离开了PC,各设备间无法利用USB口进行操作,因为没有一个从设备能够充当PC一样的Host。On-The-Go,即OTG技术就是实现在没有Host的情况下,实现从设备间的数据传送。例如数码相机直接连接到打印机上,通过OTG技术,连接两台设备见的USB口,将拍出的相片立即打印出来；也可以将数码照相机中的数据

42、,通过OTG发送到USB接口的移动硬盘上,野外操作就没有必要携带价格昂贵的存储卡,或者背一个便携电脑。在OTG产品中,增加了一些新的特性：* 新的标准,适用于设计小巧的连接器和电缆；* 在传统的周边设备上,增加了Host能力,适应点到点的连接；* 这种能力可以在两个设备间动态地切换；* 低的功耗,保证USB可以在电池供电情况下工作使用OTG后,不影响原设备和PC的连接,但使得在市场上已有超过10亿个USB接口的设备,也能通过OTG互联。123USB 3.0 简介英特尔公司Intel和业界领先的公司一起携手组建了USB 3.0推广组,旨在开发速度超过当今10倍的超高效USB互联技术。该技术是由英

43、特尔,以及惠普HP、NEC、NXP半导体以及仪器Texas Instruments等公司共同开发的,应用领域包括个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。随着数字媒体的日益普及以及传输文件的不断增大甚至超过25GB,快速同步即时传输已经成为必要的性能需求。 USB 3.0 具有后向兼容标准,并兼具传统USB技术的易用性和即插即用功能。该技术的目标是推出比目前连接水平快10倍以上的产品,采用与有线USB相同的架构。除对USB 3.0规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外,USB 3.0 的端口和线缆能够实现向后兼容,以及支持未来的光纤传输。 从逻辑上说USB 3.0将成为下一代最

44、普及的个人电脑有线互联方式,英特尔技术战略师Jeff Ravencraft说道,数字时代需要高速的性能和可靠的互联来实现日常生活中庞大数据量的传输。USB 3.0可以很好地应对这一挑战,并继续提供用户已习惯并继续期待的USB易用性体验。 英特尔公司成立USB 3.0推广组之初就希望USB设计学会USB-IF可以作为USB 3.0规格的行业协会。完整的USB 3.0规格有望于20XX上半年推出,USB 3.0初步将采用离散硅的形式。 USB 3.0推广组,包括惠普、英特尔、NEC、NXP半导体以及仪器,致力于保护已有USB设备驱动器基础设施和投资、USB的外观以及方便使用的特性,同时继续发扬US

45、B这种卓越技术的功能。 我们对USB 2.0以及无线USB技术的支持彰显了惠普致力于为客户提供可靠的外围设备互联方式,惠普公司负责打印成像与消费市场部门Consumer Inkjet Solutions的副总裁Phil Schultz说,现在借助USB 3.0,我们将为客户创造打印机、数码相机及其他外围设备与个人电脑互联的更佳体验。 英特尔在两代USB技术的开发和采用方面均走于行业前列,USB现在已经成为最受欢迎的计算和手持电子设备外围接口,英特尔高级副总裁兼数字企业事业部总经理帕特基辛格Patrick Gelsinger表示,由于市场发展支持客户对庞大数据进行存储和传输的需求,我们希望开发出

46、第三代USB技术,可以利用现有的USB界面并对其进行优化来满足这些需求。 自首次安装有线USB以来,NEC一直都是USB技术的支持者,NEC电子SoC系统部门总经理Katsuhiko Itagaki说道,现在是时候进一步发展这个业已成功的互联接口以满足市场对庞大数据传输速度的更高需求,从而尽量缩短用户等待的时间。 NXP很高兴与其它顶级公司携手推进世界领先的互联技术来满足下一代外围设备的需求,NXP半导体商业互联娱乐Business Line Connected Entertainment战略和业务发展部总监Pierre-Yves Couteau说,作为USB半导体解决方案的领先提供商,NXP

47、致力于推动超高速USB的标准化和应用。 随着高速USB在个人计算、消费电子以及移动等各种细分市场的普及,我们预计USB 3.0将迅速取代USB2.0端口成为高带宽应用领域的事实标准,仪器Worldwide ASIC副总裁Greg Hantak表示,仪器非常兴奋USB 3.0的卓越性能将进一步拓展USB的应用领域并为用户带来更佳的体验。 关于USB 设计学会 Universal Serial Bus Implementers Forum 非盈利组织USB设计论坛USB-IF成立的宗旨是为USB技术的发展和普及提供支持。通过其标识和认证项目,USB-IF为高质量、兼容性USB设备的开发提供协助,U

48、SB-IF还大力宣传USB的优势以及经其认证的产品的质量。USB 3.0标准正式完成并发布由Intel、微软、惠普、仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group今天宣布,该组织负责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。新规提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率,可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。制定完成的USB 3.0标准已经移交给该规的管理组织USB Implementers Forum。该组织将与硬件厂商合作,共同开发支持USB 3.0标准的新硬件,不过实际产品上市还要等一段时间。第一版USB 1.0是在1996年

49、出现的,速度只有1.5Mb/s；两年后升级为USB 1.1,速度也大大提升到12Mb/s,至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；20XX4月,目前广泛使用的USB 2.0推出,速度达到了480Mb/s,是USB 1.1的四十倍；如今八个半年头过去了,USB 2.0的速度早已经无法满足应用需要,USB 3.0也就应运而生,最大传输带宽高达5.0Gb/s,也就是625MB/s,同时在使用A型的接口时向下兼容。IEEE组织最近也批准了新规IEEE1394-2008,不过新版FireWire的传输速度只有3.2Gb/s,相当于USB 3.0的60多一点。难怪苹果等业界厂商普遍对该技术失去了兴趣。U

50、SB 2.0基于半双工二线制总线,只能提供单向数据流传输,而USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线,故而支持双向并发数据流传输,这也是新规速度猛增的关键原因。除此之外,USB 3.0还引入了新的电源管理机制,支持待机、休眠和暂停等状态。测量仪器大厂泰克在上个月第一家宣布了用于USB 3.0的测试工具,可以帮助开发人员验证新规与硬件设计之间的兼容性。USB 3.0在实际设备应用中将被称为USB SuperSpeed,顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。预计支持新规的商用控制器将在20XX下半年面世,消费级产品则有望在20XX上市。3.1.4

51、USB的优点USB通信有如下几个优点：1.USB为所有的USB外设提供了单一的、易于使用的标准的连接类型。这样一来就简化了USB外设的设计,同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务,实现了单一的数据通用接口。2.整个的USB的系统只有一个端口和一个中断,节省了系统资源。3.USB支持热插拔和PNP,也就是说在不关闭PC 的情况下可以安全的插上和断开USB设备,计算机系统动态地检测外设的插拔,并且动态地加载驱动程序。其他普通的外围连接标准,如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。4. USB在设备供电方面提供了灵活性。USB直接连接到Hub或者是连接到Host的设备可以

52、通过USB电缆供电,也可以通过电池或者其它的电力设备来供电,或使用两种供电方式的组合,并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。5.USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设,USB2.0还支持480Mbps的高速传输速率。6.为了适应各种不同类型外围设备的要求,USB提供了四种不同的数据传输类型：控制传输Bulk数据、传输中断数据传输和同步数据传输。同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。7. USB的端口具有很灵活的扩展性,一个USB端口串接上一个USB Hub就可以扩展为多个USB端口。3.1.5传输方式USB有四种的传输方式：控制

53、、同步、中断、大量。如果是从硬件开始来设计整个的系统那还要正确选择传输的方式,而作为一个驱动程序的书写者就只需要弄清楚其采用的什么工作方式就行了。通常所有的传输方式下的主动权都在PC边。1.控制方式传输:控制传输是双向传输,数据量通常较小。USB系统软件用来主要进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。控制传输方式可以包括8、16、32和64字节的数据,这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地用在主计算机和USB外设之间的端点0之间的传输,但是指定供应商的控制传输能用到其它的端点。2.同步方式：传输同步传输提供了确定的带宽和间隔时间latency。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输,

54、或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。例如,执行即时通话的网络应用时,使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传输次数。对于同步传输来说,即时的数据传递比完美的精度和数据的完整性更重要一些。3.中断方式：传输中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输,设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率,从1到255ms之间,这种传输方式典型的应用在少量的分散的,不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传输是单向的并且对于host来说只有输入的方式。4.大量传输：主要应用在数据大量传输和接受数据上,同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下,要求保证

55、传输。打印机和扫描仪属于这种类型。这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输,可以等到所有其它类型的数据的传输完成之后再传输和接收数据。USB将其有效的带宽分成各个不同的帧,每帧通常是1ms时间长。每个设备每帧只能传输一个同步的传输包。在完成了系统的配置信息和连接之后,USB的host就对不同的传输点和传输方式做一个统筹安排,用来适应整个的USB 的带宽。通常情况下,同步方式和中断方式的传输会占据整个带宽的90%剩下的就安排给控制方式传输数据。3.2USB的总线协议3.2.1总线拓扑结构图 3-2 USB总线拓扑USB总线的物理连接是一种分层的菊花链结构,集线器是每个星形结构的中心。PC

56、机就是主机和根Hub,用户可以将外设或附加的Hub与之相连。这些附加的Hub可以连接另外的外设以及下层HubUSB。支持最多5个Hub层以及127个外设。图3-2描述了USB的物理拓扑结构,从中可以看出每一段的连接都是点对点的。3.2.2USB的物理层USB的物理接口包括电气特性和机械特性。USB通过一个四线电缆来传输信号与电源,如图3-3所示。图3-3 USB电缆定义其中,D+和D-是一对差模的信号线,而VBus和GND则提供了+5V的电源,它可以给一些设备供电,但也要有一定的条件限制。USB提供了两种数据传输率：一种是12Mb的高速模式,另一种是1.5Mb的低速模式。这两种模式可以同时存在

57、于一个USB系统中。而引入低速模式,主要是为了降低要求不高的设备的成本,比如鼠标、键盘等等。USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线,而且最长不能超过5m；而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线,但最长不能超过3m。这主要是由于信号衰减的限制。为了提供信号电压保证,以及与终端负载相匹配,在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载。这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离,并且可以区分高速与低速设备。所有的设备都有上行的接口。上行和下行的接头是不能互换的,这保证了不会有非法的连接出现。插头与插座有A和B两个系列,系列A用于基本固定的外围设备,而系列B用于经常拔插的设备,这两

58、个系列是不能互换的。3.2.3USB总线协议所有总线操作都可以归结为三种包的传输。任何操作都是从主机开始的,主机以预先排好的时序,发出一个描述操作类型、方向、外设地址以及端点号的包,我们称之为令牌包。然后在令牌中指定的数据发送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输。而数据的目的地一般要以一个确认包来作出响应以表明传输是否成功。1域的类型同步域：所有的包都起始于SYNC域,它被用于本地时钟与输入信号的同步,并且在长度上定义为8位。SYNC的最后两位作为一个记号表明PID域的开始。标识域：对于每个包,PID都是紧跟着SYNC的,PID指明了包的类型及其格式。主机和所有的外设都必须对接收到的PI

59、D域进行解码。如果出现错误或者解码为未定义的值,那么这个包就会被接收者忽略。如果外设接收到一个PID,它所指明的操作类型或者方向不被支持,外设将不作响应。地址域：外设端点都是由地址域指明的,它包括两个子域：外设地址和外设端点。外设必须解读这两个域,其中若有任何一个不匹配,这个令牌就会被忽略。外设地址域指定了外设,它根据PID所说明的令牌的类型,指明了外设是数据包的发送者或接收者。ADDR共6位,因此最多可以有127个地址。一旦外设被复位或上电,外设的地址被缺省为0,这时必须在主机枚举过程中被赋予一个独一的地址。而0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址。端点域有4位,它使设备可以拥有几个子通

60、道。所有的设备必须支持一个控制端点0。低速的设备最多支持2个端点：0和一个附加端点。高速设备可以支持最多16个端点。帧号域：这是一个11位的域,指明了目前帧的排号,每过一帧这个域的值加1,到达最大值XFF后返回0。这个域只存在于每帧开始时的SOF令牌中。数据域:围是01023字节,而且必须是整数个字节。CRC校验：包括令牌校验和数据校验。2包的类型令牌包：其中包括：IN、OUT、SETUP和SOF四种类型。其中IN、OUT、SETUP的格式如图3-4所示。图3-4 IN、OUT、SETUP数据格式对于OUT和SETUP来说,ADDR和ENDP中所指明的端点将接收到主机发出的数据包,而对IN来说

61、,所指定的端点将输出一个数据包。Token和SOF在三个字节的时间以一个EOP结束。如果一个包被解码为Token包但是并没有在3个字节时间以EOP结束,就会被看作非法包或该包被忽略。对于SOF包,它的格式如图3-5所示。主机以一定的速率发送SOF包,SOF不引起任何操作。图3-5 SOF数据格式数据包：包括Data0和Data1两种类型。这两种包的定义是为了支持数据触发同步。数据包包含了PID、DATA和CRC三个域,如图3-6所示。图3-6 DATA数据格式应答包：仅包含一个如图3-7所示的PID域。Handshake用来报告数据传输的状态。只有支持流控制的传输类型控制中断和批传输才能返回Handshake。图3-7 PID数据格式Handshake包有三种类型：确认包ACK：表明数据接收成功。无效包NAK：指出设备暂时不能传送或接收数据,但无需主机介入,可以解释成设备忙。出错包STALL：指出设备不能传送或接收数据,但需要主机介入才