USB的数据传输

1、USB 数据传输系统USB 接口是一种总线接口标准，以其高速、稳定、易于扩展、兼容性强和即插即用等特点，赢得了市场认可并得到普及，已经广泛应用于数据传输、图像采集等领域。为解决实验室所开发的动态测试系统与计算机的数据通信问题，提出并设计了 USB2.0 数据传输接口，并在硬件和软件方面给予了优化和改进，很大程度地提高了 USB 数据实时传输的速度，而且已经成功应用于无线实时数据传输系统和红外数据传输系统中，完全实现了系统设计的预期目标和功能。一、数据传输系统工作原理我们已在“200帧/秒连续图像分频采集系统”中， 利用Cypress公司的EZ-USB开发板AN2131Q成功地开发出 USB 接

2、口来传输图像数据，其传输速度达到 10Mbps。若要获得更快的传输速度，可采用 USB2.0 芯片，它的速度最高可达到 480Mbps。基于 USB 的特性及优点，目前各个厂家都在为抢占市场积极地开发、生产 USB 设备。可以预见，随着 USB2.0 标准的发布以及 USB2.0 芯片生产的批量化，USB 的应用必将越来越广泛。“200 帧/秒连续图像分频采集系统”需要传输的每幅图像的大小为 256X256(数据量为 64K)。由于我们已将 EZ-USB 开发板的内存扩展为 64K 双口 RAM,而且分为高、低 32K 来并行存取数据，所以我们在计算机读取数据时每次读取 32K,这样就可以大大

3、提高传输速度。当计算机发出读取数据命令前，开发板上的单片机不工作；当计算机发出读取数据命令时，开发板上的单片机也同时开始工作，它主要完成将扩展内存的数据传输给 SIE,然后数据在 SIE 中进行处理后经 USB 电缆传给计算机，最后在计算机中进行实时显示。二、数据传输系统工作方式新型的通用串行总线 USB,具有数据传输速度快、兼容性强、即插即用等优点，已经广泛应用于数据传输、图像采集领域。可以满足实验室的要求。本实验室开发的动态存储测试仪器，过去主要采用计算机老式接口进行通信，其数据传输速率相对较低，不能满足大容量存储测试仪器数据传输的要求。联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独

4、立的。一个指定的 USB 设备可有许多通道。例如，一个 USB 设备存在一个埠，可建立一个向其它USB 设备端口发送数据的信道，它也可建立一个从其它 USB 设备端口接收数据的信道。USB 的结构包含四种基本的数据传输类型：控制数据传送、批量数据传送、中断数据传送、同步数据传送。(a)控制传送当 USB 设备初次安装时， USB 系统软件使用控制数据对设备进行设置， 设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损的。在设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定设备进行控制，如通道控制。(b)批量传输批量数据是由大量的数据组成的，如使用打印机和扫描仪时，批量数据是连续的。在硬件级上可

5、使用错误检测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地进行改变。用于传输大量连续无误的数据，在硬件级上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。(c)中断传输中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。这种数据可由设备在任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在 USB 上传送。中断数据一般由事件通告、特征及坐标号组成，只有一个或几个字节。匹配定点设备的坐标即为一例，虽然精确指定的传输率不必要，但 USB 必须对交互数据提供一个反应时间的最低界限。中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围

6、的。可用于传输需要及时处理的数据。(d)同步传输等时传输用于连续稳定传输数据，对传送延迟非常敏感但对数据的正确性要求不高。等时传输以固定的传输速率，连续不断地在主机与设备之间传输数据。同步数据的建立、传送和使用是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率发送和接收实时的信息，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时间安排，除了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道带宽的确定，必须满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区数有关。一个典型的同步数据的例子是语音，如果数据流的传送率不能保持，数据流是否丢失将取决于缓冲区的大小和损坏的程度。即使数据在 USB 硬件上以

7、合适的速率传送，软件造成的传送延迟将对那些如电话会议等实时系统的应用造成损害。实时地的传送同步数据肯定会发生潜在的瞬时数据流丢失现象，换句话说，即使许多硬件机制，如重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中，USB 的数据出错率小到几乎可以忽略不计。从 USB 的带宽中，给 USB 同步数据流分配了专有的一部分以满足所想得到的传速率，USB还为同步数据的传送设计了最少延迟时间。三、US 鼓术的应用(a)USBOTG 接口技术在数据传送中的应用USBOTG(UniversalSerialBusOn-The-Go)是近年发展起来的技术，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

8、是 PDA、移动电话、数码设备。改变了如数码照相机、摄像机、打印机等设备间多种不同制式连接器，和多达 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，上述我们提到应用设备，都可以通过 USB 总线，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。USBOTG 规范是 USB2.0 规范的补充而不

9、是替代品。PC 主机和标准外设并没有被取代，因为新的 OTG 仅适用于需要具有主机功能和更小体积的便携式设备。OTG 在这些外设间引入了点对点的通信方式，这使得便携式仪器的发展有了更加广阔的空间。USBOTG 已受到Cypress 等芯片供应商、软件开发商和设备制造商的广泛支持，OTG 不久将会成为新一代的“移动数据传送”最好的解决方案。(b)USB 技术及其在图像数据传输中的应用在 USB 出现以前，计算机的典型接口有并行口(打印口)、串行口、鼠标口、键盘口、显示器口、游戏口及各种卡式接口(如声卡、网卡)等，与这些接口对应的有各种不同的电缆。在传输速度方面，这些接口都存在速度偏低的问题；在技

10、术方面，这种设计容易产生 I/O 冲突、中断(IRQ)不够用，以及对于每一种新的外设都必须设计新的接口卡等缺点。当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。尤其是用户在进行数字图像的数据传输以及处理时，需要计算机和日益复杂的外设之间进行实时通信，这对计算机和外设之间的接口就有了更高的要求。而 USB 接口适应了这种要求，并以其速度快、使用方便、成本低等优点逐渐成为计算机的标准配置端口甚至可能替代绝大多数传统接口。(c)在文件传输模块中的应用通过 USB 传输线在内网服务器和外网服务器之间传输文件；采用 WinUSB 架构，支持WindowsXP,Win-dows2003,WindowsVi

11、sta 操作系统；支持 USB2.0 协议，实验室环境下平均传输速度可达 28Mbit/s；支持双向传输；通过文件夹监控方式支持文件自动传输；支持文件类型过滤和文件大小过滤，支持任意类型和任意大小的文件；支持文件正确性校验(MD5 码校验)；支持传输完成后对源文件的处理，如备份或删除；有详细的日志记录。提供 B/S 面向外网和非编制作及新闻媒资网的访问页面，用户通过登录，访问指定文件夹，并仅对该文件夹进行维护和管理，每个人登陆之后就只能看到和访问自己的文件夹，且仅对自己的文件夹内容具有添加、修改和删除的权限。整个系统全程需要防病毒软件运行，一旦有新的文件加入，就需要先进行杀毒，再通知交换中心服

12、务器，告知现在有新文件加入，需要交换中心服务器来取这个文件。这里使用 USB 连接的传输方式。同时在交换网关服务器上也有一份与交换中心服务器上完全相同的目录结构，即在交换网关服务器上监控着接收网关服务器上面的一个文件夹，当有新内容时，在交换中心服务器上。通过 USB 连接的方式把新增加的内容移动过来，同样在交换网关服务器上同时运行杀毒程序，进入的文件也先要进行杀毒。病毒定义库的更新也由网管来进行管理。四、US 携口技术的发展与展望USB 是一种复杂的传输协议，这给 USB 接口的设计和开发带来很大难度。在应用层对数据采集系统进行 USB 接口设计时，可以选择集成 USB 协议的专用芯片进行二次

13、开发应用，从而降低了系统开发难度。FT245BM 符合 USB1.1 规范，具有功能强、体积小、传输速度快、易于与微处理器接口等特点，非常适合接口设计。而且 FT245BM 大大简化了外围电路，使接口设计更趋于小型化。USB 接口技术目前已得到广泛的应用，USB2.0 协议是 2004 年 4 月发布的一个标准，它在 USB1.0 的基础上有了质的提高，其理论传输速度可到 480Mbps 美国 Cypress 公司推出的 usb2.0 控制器 EZ-USB-FX2 是世界上首片集成了 usb2.0 接口和增强型 8051 内核的芯片， 代表了业界的尖端水准，它的高度集成化和独特的设计结构保证了

14、 usb2.0 协议的 480Mbps的传输速度的实现。在 EZ-USB-FX2 之前的 EZ-USB 系列芯片需要微处理器参与端点 FIFOS 与外围电路间的数据传输，在 usb2.0 的 480Mbps 的传输速度下，如果微处理器也参与数据的传输过程，微处理器的处理速度必将成为整个系统的瓶颈。为此，Cypress 的 EZ-USB-FX2 提供了一种独特的架构，使得 USB 接口和应用环境直接共享 FIFOS,微控制器可以不参与数据的传输，但可以以FIFOS 或 ram 的方式访问这些共享 FIFOS 这种被称作“量子 FIFOS”的模式很好地解决了 usb 高速模式的带宽问题。Cypre

15、ss 的 EZ-USB-FX2 仿真系统为用户提供了完善的开发工具， 其开发包中包括一个控制面板、一个通用驱动程序和一个固件程序框架。用户开发 USB 设备可按如下过程进行：首先可以借助 Cypress 提供的控制面板 controlpanel 来进行设备端固件的调试。等固件调试通过后，再用调通的固件去配合主机应用程序的调试。Cypress 的开发包为用户提供了通用驱动程序 GPD,这样主机应用程序、驱动程序和设备固件的开发和调试是相互独立的，一部分一部分地完成，可加快用户的开发进度。控制芯片为 CY7c68013,这款芯片满足 USB2.0 规范，自带增强型 51 内核。它除了完成与主机的U

16、SB 通信工作，同时也是红外编解码的主控芯片。为了帮助用户开发设计，Cypress 公司提供了一整套的工具链以及各种应用的示例程序。固件主要完成 USB 协议的实现工作，同时也完成红外通信的相关处理。USB 通信有控制传输、块传输、中断传输、同步传输 4 种方式，根据我们实际需要，选择了块传输的方式，固件程序在厂家提供的例子程序 bulkloop 的基础上编写。EZ-USBCypress 公司推出的 USB 开发系统，它针对不同的系统提供相应的 16 种不同的产品系列。它为实现 USB 外设提供了一种很好的集成化的解决方案。它的主要优点为：提供基于 RAM 的“软体”解决方法，并允许无限制地配

17、置和升级；EZ-USB 有很强的数据吞吐能力，使用 EZ-USB 的设计者不会因管脚的数量、内存的大小以及传输速度不能满足而受到限制；EZ-USB 在其内核里已做了大量的烦琐的、重复性的工作，这样一来就简化了开发代码，进而也就缩短了开发的周期。在开发过程中，需要具备一些必要的工具(如Windows98PC、MicrosoftVisualC+,MicrosoftWDMDDK)。Cypress 公司的 EZ-USB 系列(AN21XX)是在以往的 USB 机制上做了重要的集成化的改进工作(包括增弓 II 型的 8051 核，4,8 或者 16KB 的 RAM,以及智能化的 USB 内核)。以我们使用的 EZ-USB 开发板(AN2131Q)为例，它以一片全速(12Mbps)USB 芯片(80-pinPQFP)为核心，能直接与计算机 USB 接口相连，另外还有 24 个 I/O 脚，16 位地址总线和 8 位数据总线，以便满足外存扩展的需要，配上外围电路及为用户预留的数十个 I/O 口，为用户完成从板上 I/O 口到计算机的数据传输。AN2131Q 简要结构如图 4 所示。其中 SIE 的作用是对串行数据解码和编码、校正错误以及和 USB 接口以字节方式交换数据等。此外，开发商还为我们提供了配套的开发软件（包括编译软件 uVision-51、调试软件