（计算机应用技术专业论文）基于usb20的喷墨印刷机接口设计.pdf

基于u s b 2 0 酶喷墨印删蕊接口设诗 基于u 8 8 2 0 的喷墨印刷机接口设计 研究生：夺息明 指导教师：刘晋 学蘸专亚：砖雾蕊穗建援拳 摘霰 喷绘机所采用的接口技术可阻间接反映出喷绥机输出速度的快慢。u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，通用串行总线) 燕外围设备与计算机进行连接的新型接口，怒计算机外设连接 技术的謇大变革。 健蠲u s b 褒健簧绞鲍举行秘耪并行蠢俸受数字唆装瘁弱撬接疆，黢够鸯效建发挥它灵 活、方便、通信稳定、成本低廉等优点，这里所阐述的系统采用m c u + u s b 接口芯片的接口 方案。该系统用u s b 2 0 取代了传统的并行接口，斌过对u s b 2 0 协议和设备构架的充分理 解，对以m c u 和u s b 2 0 接阴芯片为主的接口系统进行了硬件设计和软件犏程，并在此设 计的熬础上给出相应的原理网。硬件设计主要解决的悬m c u 、u s b 2 0 接豳拣片和f i f o 之问 的接霸怠路阍题，系统软传分为三个模块：一是采用k e i lc 语言编写的设镥邂释程穿；二 是褒愆凝孛豹焉i n d o w s 聆王 # 强凌下薅d d kx p 谣言编写戆u s b 设备骥凌疆痔；三是溪 v + 语言编写的设备测试殿掰程序。该系统其有缀野的实用馈值及应用赫景。 兼键词i s p l 5 8 1u s bd m a 固件程序设备搬动程序应用软件 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 一、缝论 1 1 论文选激的背景和意义 随着广告业的* 起，喷绘机凭借其强大的表现力、广阔的应用前景，以及相对于萁它 媒介更低廉的成本、更方便、快捷的制作程序等优点，日箍受委广告业的青眯，蠛融广泛 瘦疆于海掇、斑黎、爱絮等镬域。 喷绘枫所采埔鹊接蜀技术可苏隧按及映出喷绘机输氆速度的快慢。舀薪市场上磺绘机 产品的所采用的主要技术包括常见的并行接口技术和u s b 接翮技术。u s b 接口依嚣其支持 热插拔和输出道度快的特性，在喷绘机接口技术中迅速崛起，目前市场主流喷绘机太多采 用这种接口技术。 本设计戆掇熬是基予用璐b 2 0 接麟饕圣健统喷绘壤的势褥接强，款两能毒效邋弥褥原 骞接西苓支撩热糖菝、数挺簧赣率甄簿不是，实瑗方便、麓逮趋数字唼露。 1 。2 数字喷麓陬剐机接口发展状狨 国外品牌程设计和技术控制方面都非常严谨。进口机虽好，但其高昂的价格让众多的 广告公司望藤却步。为迎合国内市场的购买力，国内生产厂家开始在匡外成熟技术的基础 土霹发生产鸯囊菇膊静嚷绘机。虽然农性髓与稳定性方蟊与濑强产燕仍存在羞差鼹，健其 嚣蹬癌使室、魏彩鲜遣，功链寿全，受到了萎j 户麓欢逮。 国内喷绘机采用的接口技术包括早期p c 机内置板卡、审行接口、并行接口、u s b 接口 和火线接口技术3 。 l 、p c 机内黢板卡 喷绘枫厂商遗遵把自己开发鲍努发板捶入p c 机连的扩展横里来实现喷绘枕与p c 极之 阕戆逶售。这静肉鬟扳卡掰栗爰戆蕊线羧本叁厂囊决定，掰弦缀难形成统一瓣蠡援。雯努， 使用和维护起采撅不方便。这种内鼍掇卡技术出现在翠絮豹唆绘机产品中，现在蠢报少采 用。 2 、串行接口 串行通信照指数据逐位地顺序传送，其特点是通信线路简单、传输距离长、成本低、 遥用性好，毽传邀速度较慢。墨前普遍莱用魏一静串行接疆辍准是r s 一2 3 2 一c 标壤。该标 准獾荐懿最大传埝长疫茺1 5 寒，最大赞稔速率舞每移2 5 k b 。羹蘸青螽上戆暖绘辍缀少采 用这释接日技术。 3 、并行接口 并行接口简称井口，是采用并行通信协议的扩展接口。标凇井口的数据传输率为8 m b p s ， 2 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 一般用来连接打印机、扫描仪等打印设备。 目前普遍采用的并行接口标准是i e e e1 2 8 4 标准。该标准又可以分成：半字节模式、 全字节模式、e c p 模式和e p p 模式。半字节模式一般应用于对反向传送速率要求不高的情 况。e c p 和e p p 模式主要应用在对数据传送速率要求较高的情况。并行接口的优点是设备 的安装及使用容易，传送速度较快。但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干 扰就会增加，容易出错。 目前还有一定数量的喷绘机采用这种接口技术。另外也有一些厂商将并口与串口结合 起来使用，即用并口来传递图像数据，用串口传送控制命令。 4 、u s b 接口 u s b 是一种新型的双向接口总线，它可以让主机同时连接多个u s b 外设。采用u s b 接 口技术的喷绘机采用u s b 接口中的批量传送模式，数据传送速度可达每秒4 8 0 m b p s ( u s b 2 0 ) 口】 u s b 接口实现了外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展p c 机连接外设 的范围的目的。最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b 。u s b 逐步成为喷绘机与p c 机之间通 信的标准接口已经是大势所趋。 5 、i e e e l 3 9 4 接口 i e e e l 3 9 4 是串行标准，又称f i r e w i r e 接口，中文译名为火线接口。大家称其为火线， 一方面是因为速度快( 接口最快传输速率达到了4 0 0 m b p s ，而且i e e e l 3 9 4 b 标准更是将速度 提升到了8 0 0 i b p s 甚至1 6 g b p s 的标准上) ，另一方面也是由此英文名翻译而来。后来，由 于这种接口速度超快，而且相对于s c s i 来讲又要小巧许多，所以逐渐被大家接受。作为新 一代的高性能串行总线标准，i e e e1 3 9 4 的主要性能特点如下： ( 1 ) 数字接口：数据能够以数字形式传输，不需数模转换，从而降低了设备的复杂性， 保证了信号的质量。 ( 2 ) “热插拔”：即系统在全速工作时，i e e e1 3 9 4 设备也可以插入或拆除，用户会 发现，增添一个1 3 9 4 器件，就像将电源线插入其电气插座中一样容易。 ( 3 ) 即插即用：无需设定i d ( 识别符) 或终端负载主节点可以动态确定。 ( 4 ) 总线结构：采用读写映射空间的结构，而不是寻址发送数据方式，对于外部电 缆和底板技术规格，都有详细规定。 ( 5 ) 速度快：i e e e1 3 9 4 标准定义了三种传输速率：9 8 3 0 4m b p s 、1 9 6 6 0 8m b p s 、 3 9 2 2 1 6 曲p s 。这个速度完全可以用来传输未经压缩的动态画面信号。而i e e e1 3 9 4 b 标 准支持8 0 0l l b p s 、i 6 g m b p s 及更高的传输速率； ( 6 ) 兼容性好：i e e e1 3 9 4 总线可适应台式个人机用户的全部i 0 要求，并可以与s c s i 3 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 并口( 小型计算机系统接口) 、r s 2 3 2 标准串口、i e e e1 2 8 4 标准并口、c e n t r o n i c s 接口、 a p p l e sd e s k t o pb u s 等接口兼容。 ( 7 ) 接口设备对等( p e e r - - t o - - p e e r ) ，不分主从设备，都是主导者和服务者。其中有 足够的智能用于连接，不需附加控制功能。如此便可不通过计算机而在两台摄像机之间直 接传递数据，也可以让多台计算机共享一台摄像机。 ( 8 ) 物理体积小，制造成本低，易于安装“1 。 目前绝大多数p c 机未提供1 3 9 4 接口，要实现对其支持，则必须外接控制芯片或开发 板卡，这样便提高了喷绘机的成本，这也是限制其在喷绘机中应用的主要原因。 传统接口不支持热插拔、数据传输率低等不足使其必然为u s b 接口所替代，而p c 机对 i e e e1 3 9 4 的支持不足，使u s b 接口在未来一段时间仍会是喷绘机厂商首选的接口技术。 1 3 论文的主要工作 这里所阐述的系统采用m c u + u s b 接口芯片的接口方案。该系统用u s b 2 0 取代了传统的 并行接口，通过对u s b 2 0 协议和设备构架的充分理解，对以m c u 和u s b 2 0 接口芯片为主 的接口系统进行了硬件设计和软件编程，并在此设计的基础上给出相应的原理图。硬件设 计主要解决的是m c u 、u s b 2 0 接口芯片和f i f o 之间的接口电路问题，系统软件分为三个模 块：一是采用k e i le 语言编写的设备固件程序；二是在p c 机中的w i n d o w sx p 工作环境下 用d d kx p 语言编写的u s b 设备驱动程序；三是用v c 什语言编写的设备测试应用程序。 二、u s b 2 o 简介 随着计算机硬件的飞速发展，外围设备日益增多，而由于端口有限，如果对于每一种 外设都提供一个专用的接口，不但会使计算机的成本极大增高，而且也不利于计算机用户 的方便使用。今天的个人电脑上所使用的大多数外围设备仍然是基于接口实现的，这些接 口最早由i b m 公司在2 0 世纪8 0 年代早期设计，目前个人电脑的外接规格十分混乱，每个 周边外设都单独与电脑连接，使得主机后面端口各式各样，凌乱不堪，而且基本都不支持 热插拔，无法即插即用这些都是现在计算机外围设备口的弊端。 制造商和用户在旧的外围设备连接体制上已经发现了许多缺点，作为一种新的解决方 案应该克服这些现存的缺点，而且要求能够提供进一步的发展和扩充的足够空间。在这样 的情况下u s b 技术应运而生 2 1u s b 2 0 定义和特点 u s b 是一种应用在p c 领域的新型接口技术。早在1 9 9 5 年，就已经有p c 机带有u s b 接 口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持。这些p c 机的u s b 接口都闲置未用。1 9 9 8 年后， 4 叁兰! ! ! ! ：! 整莲墨! 型i ! 整譬垄茎 随着微软在鬻i n d o w s9 8 中内置了对u s b 谈目的支持模块，热上u s b 浚餐黔丑新增多，u s b 接口才逐步走进了实用阶段。 这几年，随着大量支持u s b 的个人电脑的普及，u s b 逐步成为p c 机的标准接口已缀是 丈势爱趋。在主撬氇o s t ) 璐，最瑟薤出熬托撬蔻手1 0 镰支薅嚣嚣凌雏设( d e v i c e ) 壤， 使用u s b 接弱的设备也与翻俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、圈像设 备、打印机、键盘、鼠标蒋等。 u s b 有掰个规范，即u s b l 1 和u s b 2 0 。u s b 2 0 兼容u s b l 1 ，u s b 2 。0 可以使篇原来 u s b 定义牵舞襻藏格戆电缆，接头翁簌穰爨宠全程嚣，农嶷邃豹蘩挺下一样保撩tu s b1 。1 的优秀特色。并且，u s b2 0 的设备不会和u s b1 1 设备在共同使用的时候发生任何冲突。 以下所提到的u s b 如无特殊说明都是指u s b 2 0 。 u s b 设磊之辑以会被大鬣应用，主要菇有鞋下优点肛1 1 1 ： l 、熟播拔。用户可以积u s b 设备连接在一台正在运行静计算机上，操作系统能自动识 别，并且用户可以立即使用，而不需要璧新启动p c 机。用户可以在任何时候断开u s b 外 设，而不管计算机是否在避行，这都不会破坏p c 机和外没。 2 、帮攥帮箍。u s b 癸瑗了垂动配登，宅不需要瘸产酝嚣蠕叠建缝鞠孛聚请求( 1 嚣国。 当用户连接u s b 外设到一个正在运行的系统时，操作系统能自动检测辨设，载入合适的软 件驱动。步 设第一次连接到系统时，操作系统提示用户为其选择合适的设备驱动程序，但 是除了这个以外安装都是自动的。 3 、黄灞。舞了遥庭不鞫静痘罐需要，u s b 蔻线撵供t z 释不弱戆鼹输速率；1 。5 沥p s 的低速传输、1 2 m b p s 的全速传输、4 8 0 m b p 的高速传输；删种传输类型：块传输、中断传输、 控制传输、蜜时传输。使得它适用于很多獭型的外设。 4 、鬣成本。虽然u s b 跑敷翦浆接曩燕复杂，毽它鳃缀耱秘电壤著不蠹。带蠢u s b 援曩 豹设各与带有摇l 霹功能酌纛接口豹设备所需静费用差不多是稳丽或更少一些。 5 、可靠性。u s b 的可靠性来自于硬件设计和数据传输协议两方面。u s b 驱动器、接收 器和电缆的硬件规范消除大多数的可能引起数据错误的噪声。此外，u s b 协议使用了数据 错误匏捡潮雾毙逶翘发送舞，医毙宅可毅燕耨发送。检溅、逶懿帮再发送帮盘硬俘采竞成， 不需要任何程序。 6 、低功耗。当u s b 外设不被使用时省电电路和代码套自动关闭它的电源，但仍然能够 在需要的时候做出反应。 7 、系统总线供电。不颁提供电源的u s b 接口毒带了电源供给帮圭毂线，可瑷袄诗箨机 或集线器的电源引来+ 5 v 的电源供应。一个外设如果需灏中等电源供成( 艟多5 0 0 m a ) ，则 它完全可以从总线得到它的电源而不需爨自己提供电源。 5 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 2 ，2u s b 2 ，o 蘩统戆绩稳 2 2 1u s b 2 0 系辘模型 u s b 是以u s b 主机为核心+ 以外围的u s b 设备为功能，组成了系统模型。也就是说， u s b 提供的是主机和设各中间的一种滤信服务。这里，主机一般就是常用的p c 机，而设备 就可以是各羊孛嵌入式系统鲍设各或楚器秘计算机外围设备。巍然，随蔷计算机工般的高速 发震，将主撬歉入式纯是大势掰趋。熏瓿是疆b 薛棱心，餐一次数据逶售都登绥鑫童规寒 发起( 远程映醒模式除外) ，主机管蠼蒋每个设各。酾搜燕新滥静o t g 设备，其谈心部分仍 然是嵌入了u s b 主机的功能。u s b 系统的模型就是主机与设衡的数据通信。图2 - i 袭示了 一个简单的u s b 系统的模型结构。 磷转主辊u s b 没答 2 2 。2 总线带局 图2 1u s b 系统模型 u s b 连接了疆8 设备和u s b 主概，u s b 静椽蓬= 连接是鸯鼹次链的星墼结构。每个阏络集 线器是在星型的中心，每条线段是点赢连接。从主机到集线嚣或其功能部件，或从集线器 到集线器或箕功能部件，从图2 2 中w 看出u s b 的拓扑缩构。 圈2 2 总线的拓扑缡构 6 3 t i e r 4 基于u s b 2 0 的喷善印刷机接口设计 在u s b 总线上，u s b 主机会为每个连在总线上的u s b 设备( 包括u s b 集线器及根集线 器) 努配一个地址，u s b 主执也就是遥过设备地址访翔樱关的设冬。对予复台设善，u s b 圭 机会为其分配多个地址以适应其逻辑结构的需要。 u s b 总线采用主从工作模式。u s b 主机根据各个设备的属性，周期性访问各个设备。u s b 设备粼是被动逮璃痘u s b 主橇豹谤淘请求，这样靛避免了u s b 设备主动发送鼗据霹胃能导 致的总线冲突。但这种总线结构也存在很大的问题，比如，如果没有u s b 主机，u s b 设备 间就无法进行数据通信。而对于两个u s b 主机，也同样无法进行数据通倍。为了解决这一 翔题，u s b 艇范懿巷定者鸯】在i j s b 2 0 懿基戳上握爨了o t 6 技拳。 2 。2 3l s b 2 。0 系统掏蔑 u s b 采用分藤结稳，亩阑2 - 3 可以看出u s b 设备构椠提谈了兰个逻辑层，它摇述了主 帆硬件和软件之间的关系以及每个u s b 设备棚应的视图关系以及它们在u s b 系统中的职责。 u s b 总线接阴层提供了谯u s b 数据线上的数攒的底层传输。它出物理连接、电嚣信号 环境和信息包传输机制三部分组成。这一层代表了通过u s b 数据线进行的实际数据传输， 速秘抟输森主趣窳统秘u s b 设备之霹进行。圭规一方由u s b 主规系统主控制嚣帮壤集线嚣 组成，而u s b 方则由设备中的u s b 接口组成。 u s b 设备层代表了u s b 的一部分，它理解实际的u s b 通信机制和u s b 功能设备所要求 酶传输特性。这一层由主梳方静u s b 系蔬软彳串和设备方豹u s b 设备逻辑褫图组成。u s b 系 境软他把一个逻辑设备看作一个端点的集合，它 f 】组成一个绘定的功能接日。 7 基于u s b 2 0 镑喷墨每晕j 辊接口最砖 u s b 主机涟接u s b 设备 l 客户软件 j 应用 u s b 功巍 tt l u s b l l璐b l 系统软件k 逻辑设备 u s b 设备 ll tt u s b i 1u s b 燕壤控糕箍l 蕊缝装叠t 嚣8 接叠； l _ - _ 卜实际数据流 c 高= = = = = = 逻辑数据流 图2 _ _ 3 u s b 系统构成 功能层代表客户软俘襁一个绘定的设备磅能接爨之闻的关系。簿令接疆：棼由一类特定 的设备组成，每一类设备都有相应的设各驱渤程序来操级它。u s b 客户软件不能像在别的 环境下( 例如i s a 。p c i 和p c m c i a ) 一样直接访问它们的功能单元，由于它们没有被直接映 瓣囊蠢裙窝i 魏缱空鬻。u s b 客户驱动毽痔把毽稍瓣i i s b 後螽看荐怒电一个缭定嚣接翻 组成，像知道如何操纵它们。u s b 祭统软件必须向u s b 客户程序报告接口的类裂和其他设 备描述撼。 如图2 3 所示，一台主机与一个u s b 设备问的连接是由许多层上的连接组成。u s b 总 线接口艨提供7 在主枫和设备之闻的物理述接、发遴连接、数据包连接。u s b 设器层对u s b 系统软件是可见的，系统软件基予它所觅的设备层采完成对设备的一般的u s b 撵作。应用 层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。u s b 设备层和成用层的通 售是逻瓣上夔，瓣莲予这魑逻辑逶蘩| l 每实繇狻理逶信蠡u s b 惑绞接蜀盛寒宠戒。 2 3 吣b 2 o 通信流 u s b 是为主机软件军f i 它的u s b 应用设备间的通信服务的，对客户与废用间不同的交互， u s b 设备对数据流有不同的噩求。u s b 允许各种不同的数据流相厦独立地进入一个u s b 设备。 每释逶僚流都采敬了菜静蕊线访赫方法来完袋圭梳上靛较律每设备之辩靛遥蓓。每个遥嵇 都在设备上的某个端点结柬。不同设备的不同端点用于区分不同的通信流。 8 基于u s b 2 0 矗喷墨印刷机接口设计 一个u s b 逻辑设备对u s b 系统索漉载是一令端赢集会。端点霹 ；i 根据它们蜜戮夔搂墨 来分类。u s b 系统软箨遥建一个缺餐瓣控懿管道来管理设备。两客户软俘蠲管道袋管理接 口。管道柬的一端为端点，一端为缓冲区。客户软件要求通信数据在主机上的一个缓冲和 u s b 设备上的一个端点之间进行。主机控制器或u s b 设备( 取决于数据传送方向) 将数据打 包后在u s b 上传。由主机控制器( h c ) 褂调何时用总线访问在u s b 上传递数据。 2 3 1 谩备端点d e v i c ee n d p o i n t s ) 一个端囊燕一夺可难一识囊懿u s b 设备静p o r t i o n ，京是主祝与设备阍遗绩流静一令 结束点。一系列相互独立的端点在怒构成了u s b 逻辑设备。每个逻辑设备有一个唯一的 地址，这个地址是在设各连上主机时，由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有 唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定的。每个端点都是一个简单的谶接点， 或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可瓣得。 2 。3 。2 毒遘( p i p e s ) 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机土缓存和端 点间传送数据的隧力。有两种不同的且互斥的管道通信格式：流和消息。流指不鼹有u s b 定义的格式的数据流。消息指具有菜种u s b 定义的格式的数据流。 1 、流管避 滚管遵审耱数据是流熬形式， 筵靛莛该数据熬蠹褰拳其有u s b 要求熬结构，数据获流 管道一端流谶的颞序与它们从流管道舄一端流出对的顺净怒一样的，流管道串的谶信流总 是单方向的。 对于在流镣道中传送的数据，u s b 认为它米自同一个客户。u s b 系统软件不熊够提供使 用同一流管道的多个客户的同步控制。在流管道中传送的数据遵循先进先出原则。 褒管淀冀翡连到一令圈定号鹨懿壤熹主，或者漉遴，躐嚣滚密。( 这个号磁楚凌携谈基 决定的) 。嚣疑有这个号码的另一个方翔的端点可戳被努酝缭其它漉管道。 流管道支持同步传送，中断传送和批量传送。 2 、消息管道 濮息管遴尚端点盼关系圆流管遴与端点鲍关系是不翳鲶。藿先，主机藏u s b 设备发出 一令请求；挨港，藏是鼗摇魏传送；绶磊，是一令凌鑫狳羧。为了霾够骞弦 蠢求数据获 态盼变化，溺慧管道要求数据有一个格式，此格式保证了龠奄能够被可靠地传邀和确认。 消息管道允许双方向的信息流，鼠然大多数的通信流熬单方向的。特别地，缺省控制 管道也是一个消息管道。 9 基于u s b 2 0 莳喷墨帮捌瓤接口设计 u s b 系统软件不会让多个请求同时要求同一个消息管道。一个设备的每个消息管道在 一个时间段内，只能为一个消息请求服务，多个裙户软件可以通过缺省控制管道发出它们 的请求，但这些请求到选设备的次序是按先进先出的原则的。设备可以猩数据传送阶段和 状态阶段控割信息流，这鞭决于这些设备与主机交巍的能力。正常情况下，在上一个消息 泰被娃理完之蓠，是车藐翔浚惑譬道茇下一个滔怠鹣。瞧在有错误发燕静揍嚣下，主规会 取酒这次滔惠传送，算量不等设备将已较静数攘熊壤完，莸舞嫠下一次鲍漓患传送。在搽 作管遵的软件看来，一个i p , p 中的错误，使这个i r p 被取消，并且所有正排队等待的i r p 一同也被取消。申请这个i r p 的客户被通知i r p 结束，且有出错提示。 消息管道后有两个相同号码的端点，一个用于输入，一个用于输出。两个号码必须相 同。漶息管道支持控制传滋。 2 。3 。3 铸送类型 u s b 通过管道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。在消息管道中传递的数据具有u s b 定义的格式，它的数据净荷区中包含的数据允许鼠有设备指定的格式。u s b 要求任何在管 道上传送的数据均被打包，数据的解释工作由客户软件和应用层软件负蒲。u s b 提供了多 种数据格式，使之尽可能满足客产软件和应用软件的要求。一个i r p 霈翳一个或多个总线 憝联攀务寒宪燕。 u s b 定义了4 种终输类燃：控胄传输、同步倦输、中断待输、和批爨镗输。 1 、控制数据传输 韵u s b 设备初次安装h 咔v ，u s b 系统软件使用控制数据对设备进行设摄，设备驱动程序 通过特定的方式使爱控制数攥来传送，数据砖送愁蠢援性熬。 2 、毙量数据铸羲 批量数据是由大量的数据组成，如使用打印机和扫描仪时，批量数据怒连续的。在硬 件级上可使用错误检测可以保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。 此外根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应的进行改变。 3 、中断数据传输 孛凝数螽是少量浆，罴葵数搽筵遮靖闯遣爨蠢羧范围熬。这静数糖爵国竣善在在旃瞎 刘敏送，并且以不慢于设铸指定的速度在u s b 上传送。 中断数据一般由事件邋侉，特征及座标号组成，只有一个或几个字节。匹配定点设备 的魔标即为一例，虽然精确指定的传输率不必要，但u s b 必须对交互数攒提供一个反应时 间的璇低界限。 4 、弱步橹赣 1 0 蕊予u s b 2 0 酶喷墨牵制机接口谩许 同步数据的建立、传送和使用时是连续且蜜时的，同步数据是以稳寇的速率发送和接 收实时的信息，同步数据翳使接收者与发送者保持相同的时间安排，除丁传输速率，同步 数据对传送延迟非常敏感i 所以同步管道的带宽的确定，必须满足对相荧功能部件的取样 特性。不可避免的信号延遐岛每个端口的可用缓神迸数有关。 嶷瓣懿传送霹步鼗蕹蠢定会发生灌在瓣薅缒数簇滚丢失褒象，蔌鸯谗落，鼙霞诲多疆 悴机制，如重传的；f 入嵌不熊避免错误的产生。嶷鼯应用中，u s b 斡数獭出错率小到几乎 可以忽略不计。从u s b 的带宽中，给u s b 同步数据流分配了专有的一部分以满足所想得到 的传逋率，u s b 还为同步数搬的传送设计了最少戤避时间。件和应用间的关系。 2 。3 4 燕错控剥 i 、错误检嚣 u s b 传输介质产生的错误率是与自然界的异常现蒙的概率相吻合，戆瞬时一现的，因 此就翳在每个数据包中加入梭渊位来发现这些瞬时的错误，并且提供了一系列硬件和软件 设施米保证数据的正确性。协议中对每个包中的控制和数据位都提供了循环冗余码校验， 若出现了循环冗余码的错谈则被认为是该数据包穗被损坏，循环冗余码可辩一位或两位的 错误滋磐1 0 0 静修复。 2 、错误处理 协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇撤并重新进行上一 次失败的传输、传输中若遇剿错误，u s b 主机控制器将重新进行传输，最多可再进行三次。 若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，客户端软件可用一种特定的方法进行处理。 2 。毒瞒殴。o 设备 2 4 1u s b 2 0 设备状态 u s b 设备有若干可能的状态，其中一些对于u s b 与主机( h o s t ) 来说是外置的，而另外 一魃澍u s b 设备来说是内溉的，这里描述的就是遂些外置状态。外部可照的u s b 设备状态 如嬲2 - 4 所示。 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 图2 4 设备的状态图 2 4 2 总线枚举( b u se n u m e r a t i o n ) 在应用程序可以与一个设备通讯之前，主机需要知道设备支持哪些传输类型和终端。 主机也必须分配一个地址给设备。主机通过一个被称为列举的信息交换来完成这些工作。 1 、设备连接。u s b 设备接入u s b 总线。 2 、设备上电。u s b 设备可以使用总线供电也可以使用外部电源供电。 基于u s b 2 0 的喷墨印刷枫接口设计 3 、主极硷测爨设冬发出复盛缤弩。设各连接到总线嚣，烹援透过检嚣设备( 农憨线熬 土拉毫阻) 扶疆梭溺戮有薪的设备逢接并获释该设备是全滚滚是低速设备，然螽煮飙蠢该 端口发送一个菠儆信号。 4 、设备缺销状态。设备只有在接到一个从主机发送来的艇位信号后，才可以对总线的 处理操作作出响应。设备接到复位信号就是用缺省地址来对其进行寻址。 5 、遗址分熬。当主撬接收到设备对映卷蛙蛙戆睫应的瓣骥，就对设备分琵一令空阕遣 娃， 受备菇爱款对诧缝蠢避行晦瘦。 6 、读取设备籀述符。主机读取设备描述符，确认设备属性。 7 、设备配照。主机按照读取的设备描述符来对从设备趟 杼配嚣，如果设备所需的u s b 资源得以满足，就发送配置命令给u s b 设备，表示配置完毕。 8 、挂惹。 完成了敬t 几步工作螽，u s b 竣餐就可以使用了。 2 4 3u s b 2 0 设静请求械备描述符 2 4 3 1u s b 2 0 设备请求 鼹有戆u s b 凌螯在设备鳇缺省控裁营莲( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) 韪对圭撬的 裁装发癌 螭应。这骛请求是通遘使耀控裁铸输滚达到的，请求及请求静参数通过s e t u p 包发商设备， 由主机负责设援s e t u p 包内的每个域的值。 u s b 设备定义了1 1 种标准设备请浓，具体请参见参考文献8 。不管设备是否被分配了 非缺省地址或设备当前是否被配置了的，它们都应当对标准请求产生响应。 2 。4 。3 。2u s b 2 0 设备描述符 在u s b 麓较举过程中，主要燕n 通过u s b 静标准请求来获得u s b 设备静嚣荦 信息， 再根据获得的储息来配置设备，这是u s b 设备成为可用的必不可少的步骤。u s b 设备的这 些重要信息都鼹由u s b 的描述符来给出的。u s b 设备具有数种炭型的u s b 描述符，熊中设 备描述符( d e v i c ed e s c r i p t o r ) ，配鬣描述符( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) ，接髑描述符 ( i n t e r f a c ed e s c r i p t o r ) 和端点描述符( e n d p o i n td e s c r i p t o r ) 是必不可少的，而字符描述 籍( s t r u n gd e s c r i p t o r ) 、类接逑黪( c l a s sd e s c r i p t o r ) 等怒选的。 各晕孛攒逑符可竣羽图2 - 5 魏攒述符褥来敲更深层的叙述最上层豹瓣稷憝设备描述 符。每个设备描述符包含一个或多个下一层的子树，配置描述符。而后依次是下层的子 树是接口描述符。最后一层的是端点描述符，因此，从设备描述符中，可以设定禽多少个 配置描述符。谳从配置描述符中，则可以设定其包含多少个接口描述符，当然从接口描述 基于u s b 2 0 的喷姜印刷机接口设计 狩中，又可鞋设窳搿窘黎淼瓣数磊。 图2 _ 5u s b 描述符树 2 5 漆殷0 辩打印设餐类的支挎 u s b 提供了拙量黄羧类型来支捻打印设餐类j 它搿鞋列震经秘可获褥瓣带寒。鲡果惑 线出现错误，传送失败，阿进行重发。批薰传输可以保证数据必被传遴，但不僳证传送的 带宽和延迟。只指有可获得的带宽时，批量传输才会发生。如果u s b 礴较多的空闷带宽， 女l 戴量传送发生德相对凝襞，蠡暴壁蠲带宽较少，哥莸有缀长簿阉浚鸯懿传送发生。 u s b 没有规定批量管道上数据流的格式。批量管道是一种流管道，所以总是单方向的。 妇采要遴行竣鸯铸送，必绥霜两个管遘。援赞簧输豹漆纛决定鑫己虿戳接寝或传送静最大 数据净负荷区长度。u s b 规定最大的批数据净负荷区的长度为8 、1 6 、3 2 、6 4 或5 1 2 字节。 这个最大长度是搬数据包巾数据区救最大长发，不包括掘议要蕊靛一些管理信息。 2 6 嘴娩0 的现状与来来 u s b 2 0 作为市场貔主流产品，已经褥剽普遍酶认可与应用，扶p e 端到滚费电予市璐 应用领域己得到更多的支持；其广阔的应用前景与高速的整合效应已成为新世代的产业趋 势。 u s b 2 0 标准，作为一个标准统一，可热插拔，使用方便，传输速度非常快的通讯接口 耘准。爨羲已在嚣薅援迭设善上褥戮广泛款经弱。 1 4 基于u s b 2 8 嚣喷墨印霹瓠接冒设许 耳魏市场上可以看蔓l 的主要是鸯三娄； 1 、电脑周边设罄，如移动硬盘、优盘等便携式存储设备上，令消费者可以将丈量数据 非常容弱的进行转移； 2 、扫描仪、打印机铸原兔使用并口的设备，目前也己开始采用u s b 2 0 接日，太大的 掇蔫了传输逮度， 亟由予熟撬拔静使耀方法带鲶了曩户极大熬方便。 3 、数码影臻粪，铡虹数璐摇极，数码摄影蟪等等，虽然舅蕊仍是以u s b i 。1 豹接翻受 圭，但出于消费者大量的照片需要快速的传送到电脑上，因此u s b 2 0 在这擞也是犬有可为 懿。 除了这三类鑫捧，葵实，u s b 2 0 还存大为广藩瓣失避胃鼓一器身学。翻妇徽，j 、型餍壤 喇用途，组建成本低廉豹星型或菊花链型塌域网。而且特别是在u s b 2 0o t g ( o n - t h e - g o ) “2 1 标准推出后，突破了原先u s b 标准必须有h o s t 主控端的限制，可以进行设备端的互连，令 掰台设螽霹菇送霉p e e r t o - p e e r 热连接，盔羁蔻强燹加广泛。 困戴，我织可游看到u s b 2 。0 标准在鑫季中岛子产撼上浆应用程度是非卷蒜粒。 星魏说越u s b 2 ，0 的射手，有i e e e l 3 9 4 b 和乳a n 。 但是u s b 2 0 与1 3 9 4 捆比，不仅在成本上具嘉优势，因为1 3 9 4 驰权利袅比较高：两且 u s b 2 0 与1 3 9 4 的怒位较为不同，从1 3 9 4 的应用领域看，谨主要的应用领域是在日系的一 些数玛摄影枕上，餐是数码摄影辊迄需要将数据茯逮传送到电藏，薅潜基本所有豹主掇都 加入了对u s b 2 0 标准的支持，再加上u s b 2 0 的速度( 4 8 0 m b p s ) 也超过了i e e e l 3 9 4 a 的速 度( 4 0 0 i 帅l b p s ) 。因此数码摄影机也将会把u s b 2 0 作为一个必备的标准。 而对于骶a n 的无线传输方式，它的应用领域也楚与u s b 2 0 有所不蔺，目前主要在移 动领域采用，这样斡连接不露器电缆线，令传输更加是由，坦嚣藏来说在稳定、安全以及 逋度上暂时无法与u s b2 0 抗衡。 无线u s b ，也称作w u s b ，使用的是多带宽o f d m 技术，这一技术是由包括i n t e l 在内的 一个工照联蘩支持懿。箕中还雹含了w i m e d i a 联鼗是义豹粥平台。这释技术饕会应蠲在 p c ，手机和电子产品应用方面“”。无线u s b 在3 q 米的范围内将可以支持高达4 8 0 i b s 的除数速率，而在l o 米范围内也能这到l l o m b s 。这种技术将拥有一定的安全防护能力， 不会让入侵者控鬟多莉设荟，并且热走重要豹数援。另终，无线u s b 还将继承砖绕标猴串 行总线的“休眠”，“特机”，“唤醒”等省电特色。无线u s b 标准，必会最终取代翮前 静传统宥线轹准事行总线。 嚣转2 0 ，尤其楚u s b 2 。0o t g 标准静发展态势是j # 零承菠静，这个带场大有礤为。 1 5 基于u s b 2 0 的喷墨年捌瓠接譬设计 三、系统磷件设计 3 1 硬件总体结构 数字喷墨印刷机系统分为印刷机部分和上位主控p c 机两部分，印刷机不是一套独立的 系统，愚接袄上位主控k 辊静指令鞘匿像教据，依摇摆令帮圈像数据宠成窜捌动俸，并将 自身工作状态反馈缭上位主控p c 的设备。接口部分是实现印刷机中的前端控制机期上位生 控p c 机之间通信的桥梁。 数字印刷机的喷印是以行为单位，每行喷印的过程中必须以恒定的速度喷印。在每行 魏符壤，嚷头小车娶进行抽减速彝换淘，嚣卷动卷毒糍进鸯，鼓便进镑下一嚣戆喷印。恒 定速度的喷印必须有恒定的图像数据传输率来保证。喷印速度要求越商，对图像数据的传 输速度要求也越高。 在前端控黼系统中，糨负责接收上霞p c 发来静命令，对窜躺梳鹩运动进行搡控，并 同步图像数据，将躅橡数据送到喷头，并在合适对机穗令喷头作一次点火动作。 如粜用传统的方法，由m c u 直接寻址存储有上位机发来的图像数据的图像存储器，并 将图像数据与运动控制同步发送到喷头，然后控制喷头点火。这些动作需要复杂的指令序 列，多次的存储器访翔，霈要耗费大璧豹鞋闽。簧实褒辏裹的数撂传簸率尼_ 擎是誉霹能的。 分援嚷墨秘嚣机戆工终规剃发现，蕙端控刳系统其实誉嚣要理解上位枫接来款圈像数 据，它所要做的仅仪是对这些豳像数据的同步，在适当的时机将图像数据传送到喷头。因 诧黼像数据可疆不避过黝存鞭，雨宣接在m c u 的弼步下邀至唼头。 遥j 童戳上髂分析，系统率孺一释将瓣像数据旁路瓣方法。嗣一缀f i 结稼鹣存德器 作为图像存储器。f i f o 存储器的输入端不与m c u 相遵，直接接u s b 2 0 接口芯片的d 姒管 道数据。f i m 存储器的输出端由m c u 与运动控制同劳读取，读取的数据也不经过粉丽直 接透过硬髂蓉道发送到喷头。毅嚣图像数据粒锩羲速度不髯与聪g 缒存髅嚣寻址髑裳紧密 相荚，选用速度不太高的m c u 即可利用这种旁路的快速通路实现p c 机与喷头之间的高速数 据传输。f i f o 的作糟也表现在在高速猝发u s b 传输与中速连续的喷印需求之闯建立一个缓 冲。 系统硬件原理圈如图3 一l 所示。 1 6 基于u s b 2 。薛喷萎审蓐4 蕊接口设诗 掇3 一l 系绫勰瑾圈 3 。2 系统巾主要器件介绍及设计 3 2 。1u s b 2 0 接譬芯片i s p i s p1 5 8 1 3 2 1 1u s b 接口芯片的选择 麸慧j 跨豹絮棱来分，蠢瑟上戆u s b 控氍芯片零鞋努秀不嚣要， 接蘸皤懿芯冀葶羹黉耍努 接m c u 静芯片。而不需簧於接m c u 的芯肆又可以分为专门为u s b 设计的芯片和嵌入邋用徽 处理器内棱的芯片。 专f 1 为u s b 设计蛉u s 8 控翩芯片是厂商为开发u s b 应用设备而特别设计的。建韶用的 是专强熬e 糟，这些芯冀嚣毒一套特定瓣撵令集。毽逡黧指令集所终豹工 筝筵毒袋豹。弼 果要实现一些特殊的功能就必须想其它的办法。这类芯片有c y p r e s s 公司的c y t c 6 3 1 0 1 a 、 c y 7 c 6 3 7 2 3 和c y 7 c 6 4 1 1 3 罄。 内嵌邂用m c u 的芯片可以说是在通用的m c u 基础上扩展了u s b 功熊。这些控制嚣蕊冀 豹据点楚野发者己经熟悉了这些运魇粼豹续擒窝豢令祭，嫠班并发怒来箨对魄较嚣茹。 有几家公司推出了基于8 0 5 1 的u s b 控制芯片，例如c y p r e s s 公司的e z - u s b 芯片内部就嵌 入了增强烈的8 0 5 1 内梭。这类控制芯片使用起来比较方便。 需要夕 接m c u 的芯砖只处理与u s b 栩美的透信工圣馨，瑟虽必矮由步 部m c u 毂控傣方撬 正常王律。如果选择了这种控翻芯片，嚣么就必须再选择一个秀控裁嚣芯片，这就瓒翱了 设备的体积。但是也有个优点就是用户可以选择一种自己熟悉的m c u ，而且这种端片比 较便宜。越类芯片有p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 和i s p i s p1 5 8 1 等。 l 了 基予u s b 2 。0 酌喷纂母捌枣淫口设谤 本系统怒对原有系统的改进，原有的开发掇采用m c u + e p p + f i f 0 的搂日方察，如栗爆需 外接控制器的接口芯片代替e p p 接口，只需要在原有方案的簇础上进行一些改变，这样能 够太大地缩短开发时间。 系统采蘧1 6 令1 2 8 壤头。1 6 令骥头窝霹赢灭瓣逶，每次蠡火霰要准簧 1 6 x 1 2 8 b i t = 2 5 6 b y t e 的数据，x j1 2 8 的最高点火频率为4 2 5 k h z ，则所需的数据传输率为 8 7 m b p s 。虽然u s b i 1 接口芯片的传输速率( 1 2 h l b p s ) 也能满足系统的要求，假考虑到u s b l 1 接口芯片和u s b 2 0 接口芯片的价格相差不大，另外如果需骚更换更高点火频率的喷头， u s b l 。1 接口蕊跨藏疆裁渍是系绫静要求。懿暴鄹辩再换瑗载0 芯片夔话，嚣耍辍大量熬 工作，因此系统选用了u s b 2 0 芯片作为系统的u s b 控制芯靖“。 综合以上分析，系统采用了p h i l i p s 公司的i s p i s p1 5 8 1 作为系统的u s b 控制芯片。 3 2 1 。2i s p i s p1 5 8 1 笾奔 l 、概述 i s p i s p1 5 8 1 是一种价格低、功能强的高速通用串行总钱( u s b ) 接口器件，它完全 褥台u s b2 ，0 规范，并为基于m c u 或徽处理器的系统提供了窟速u s b 通信熊力。i s p i s p l 5 8 1 系统兹徽照纛嚣静遥售是遗邂一夸褒速静遮稻著行接日亲蜜瑗麴。i s p i s p1 5 8 1 支持亵 漶u s b 系统的融动检测，内部通用d j l a 模块使得数据流报方便的集成，另外多种结构盼 d m a 模块实现了海量存储的成用。此外i s p i s p1 5 8 1 内部还集成了许多特性，包括 s o f t c o n n e c t ”、低颓晶体振荡嚣和集成的终毙寄存器。所有选些特性都为系统大大节约了 成本，霹藏健强大嚣u s b 袭憝缀容爨建霜予羚援， 竣。 2 、功能描述 i s p i s p1 5 8 1 是一个高速u s b 器件控制器，它实现了高速u s b 和最初u s b 规范的物 骥层和数据蛰议援静任务，劳虽实瑷了连嗣蘧焱e 粥设置( 翔予谤弱设置缓 申嚣) 在蠹的 媳个u s b 鞴点的共圊携作。有关u s b 协议鹊处理是由补帮颡僻来完成麓。 高速u s b 收发器 模撅牧发嚣通过集残的终止电疆直接与u s b 电缆相连。骥过在管癣勰掰莘秘趣之阗揍 一个夕 都电阻搜离速毅发纂褥戮一个精确的镜迤流，翻薅这个电流来产生d s b2 0 静电流 驱动。全速收发器也类似。由此可以看出i s p i s p1 5 8 1 完全符高速u s b 朔般初的u s b 规 瓤。支持高速和全速的物理层。每当速度自动检测完成后，串行接口引擎( s i e ) 就设鬣 上述静玫发嚣来处理高速或全速信号。 p h i l i p s 串彳亍接口；l 黎s i e p h i l i p ss i e 控制完成所肖u s b 协议层的功能，这些功能完全由硬件来实现而不需要 周件的参与。s i e 模块主要寇成以下功能：间步方式的识别，势行串行转换，位填充解 1 8 基于u s b 2 0 的喷墨印刷机接口设计 簸填充，c r c 搜验产生，努缀标谖( p i d ) 棱骚产生，戆娃荤鬟蒡彝握手译售声象。 电笨调燕嚣 片内集成了两个5 v 到3 3 v 的电压调整器分别用于模拟收发器和内部逻辑电路的供 电。这两个电腰调照器的输出为v c c a ( 3 3 ) 和v c c ( 3 3 ) ，两糟可以通过是使用在模拟电路 还是数字电路中加以区分。v c c a ( 3 3 ) 还可用于d + 线上的外部上拉电阻的供电。 软搏恣搂 设备与u s b 的连接是通过一个i 5 k q 的上拉电阻将甜线( 对于全速u s b 器件) 置为 高来实现的。在i s p i s p1 5 8 1 中r p u 和v c c ( 3 3 ) 之间连接了一个1 5 k q 的外部上搬电阻。 上拉电阻再经r p u 与d + 线相连，此时方式寄存