关于USB接口研究与硬件电路设计

1、                      USB接口研究与硬件电路设计 管理USB系统； 每毫秒产生一帧数据； 发送配置请求对USB设备进行配置操作； 对总线上的错误进行管理和恢复。（2）USB DEVICE在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地

2、址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。 （3）USB HUBUSB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT HUB）。USB总

3、线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构，有1个USB根集线器（root hub），下面还可有若干集线器。1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括4条线：Vbus(USB电源)、D+（数据）、D-（数据）和 Gnd(USB地)。线缆最大长度不超过5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s（低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为 12Mb/s）。图2-1是典型的USB功能器件结构框图，图2-3是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。图2-3中：FS为全速（高速）；LS为低速；R1=15k，R2=15k。USB外设可以采用计算机里的电源（+

4、5V，500mA），也可外接USB电源。在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率。当一台USB外设长时间（3ms以上）不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗0.5mA 电流。按USB1.0/1.1标准，USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件应为 USB线缆产生1个时钟脉冲序列。这个脉冲系列称为帧开始数据包（SOF）。高速外设长度为每帧12000bit(位)，而低速外设长度只有每帧 1500bit。1个USB数据包可包含01023字节数据。每个数据包的传送都以1个同步字段开始。22

5、USB的数据流传输 主控制器负责主机和USB设备间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。USBD为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。 USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，等时传输，中断传输及数据块传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。控制传输类型：支持外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机

6、与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。 等时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。中断传输类型：支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。数据块传输类型：支持打印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。分页 USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求,则不能进入该设备。同步和中断传输类型

7、的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输传输数据。3、USB外设控制器的两种实现方式USB芯片在外设领域的应用面很广。USB外设控制芯片通常包括USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外设功能等四个模块(SIE 主要以硬件方式处理大多数USB协议，USB控制器负责与PC交互通信信息)。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的，如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National Semiconductors等公司的产品；另一种就是纯粹的USB接口芯片，

8、仅处理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口），National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。 集成MCU的USB控制芯片优点是CPU与控制器在同一片芯片里，CPU只需要访问一系列寄存器和存储器，便可实现USB口的数据传输，最大限度的发挥 USB高速的特点。而且简化了程序的设计，极大地降低了USB外设的开发难度。缺点是灵活性不够高，开发成本较大。纯粹的USB接口芯片的优点是系统组成灵活，可根据不同的系统需求，搭配不同的MCU，具有较高的性能价格比。但因为USB

9、控制器是通过串行口或并行口与MCU连接，在传输速度方面和开发难度方面不如集成了MCU的控制芯片。 不同的实现方式在设计开销、上市时间、元器件开销和引脚数方面各有优劣，选择不同的方案意味着在以上各项指标中进行取舍。本文主要介绍PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。该芯片是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，设计者可根据需要选择合适的微控制器，灵活性较大，适用于开发低成本且高效的USB外围设备。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计目前，市场上提供的USB接口电路板很多，但大部分仅使用普通的工作模式，缺少对DMA工作模

10、式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开发。 所谓的DMA传送方式，全名叫直接存储器存取（Direct Memory Access）数据传送方式，是指采用专门的硬件（DMA控制器）来执行数据传送。DMA控制器可以从CPU那里接管系统总线的控制权，并且由本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O设备的读/写脉冲等控制信号，使得数据通过总线，直接在存储器和I/O设备之间（或I/O设备与存储器之间，存储器与存储器之间）进行传送。在DMA接管总线执行数据传送过程中，CPU暂停工作。 由于DMA传送方式仅仅在需要占用总线传送数据时才暂停CPU的操作，CPU

11、的工作效率极高，传输数据可由硬件自身控制，大大提高了传送速率，十分适合于高速数据的采集。下面就介绍一下我们利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路。41 系统概况该系统主要实现USB的接口功能，通过它，外设与计算机之间可以实现USB方式的连接。外设接口1用于DMA方式数据的传送，可与CCD摄像头等设备相连。外设接口2采用了标准的IDE接口方式，可直接于硬盘等大容量存储器相连，传输海量数据，也可以通过接口转换，与其他功能的外设相连，具有较广的适用性。下面说明了此多功能USB接口电路的框图：这个框

12、图显示了两种接口方案：普通模式和DMA模式。（1）方案一：普通模式图4-2是该USB接口电路普通模式的框图，该框图说明了连接外设的一种简单模式，所有寄存器和数据的读写都是通过8051 的I/O 来仿真的，因此数据吞吐速率较低，适合间歇式数据的传送。（2）方案二：DMA模式 数据传送以DMA方式，直接由D12传送到计算机里，MCU只完成DMA的初始化工作，传输速度快，适合于视频数字信号等高速实时传送。系统详细的电原理图和电路板结构图参见附录。42 系统主要部件及电路该系统主要由89C51控制电路、PDIUSBD12 接口电路、数据选择电路、串并转换电路、挂起复位电路、IDE扩展接口电路等组成，下

13、面分述各部分的功能和特点。421 89C51控制电路89C51是该接口电路的控制核心，其中P0,P2口用做16位数据I/O口，P1,P3口用做控制。89C51的晶振频率为24MHz,每个机器周期为0.5us.分页422 PDIUSBD12 接口电路PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个 USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且高效的USB外围设备

14、解决方案的一种最快途径。 PDIUSBD12完全符合USB1.1规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等，因此，PDIUSBD12 非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器（ Zip驱动器）和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用 USB来实现可以直接降低成本。 PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI 、OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。PDIUSBD12还集成了像SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特

15、性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB功能。（1）内部结构 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与USB电缆接口。 电压调整器。片上集成的1个3.3 V电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接到外部1.5 k上拉电阻的输出电压。作为选择，PDIUSBD12提供集成1.5 k上拉电阻的SoftConnect技术。 PLL。片上集成1个648 MHz的倍频PLL（锁相环），允许使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低频晶振而减小。PLL的工作不需要外部器件。 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4倍过采样原理从输入的USB 数据流中恢复时钟，能跟踪USB规范

16、中指出的信号抖动和频率漂移。 PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全实现USB协议层。考虑到速度，它是全硬件的， 不需要固件（微程序）介入。这个模块的功能包括：同步模式识别、并 /串转换、位填充/不填充、CRC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定。 SoftConnect。高速设备与USB的连接是靠把D通过1个1.5 k的上拉电阻接到高电平来建立的。在PDIUSBD12中，这个上拉电阻是集成在芯片 内的，缺省是没有连接到VDD，这个连接是靠外部 MCU发一个命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立 USB连接之前完成初始化。重新初始化USB总线连接也可以不用拔掉电缆来完成。 GoodLink。Good