USB接口研究与硬件电路设计[1]

山东大学物理与微电子学院USB接口研究与硬件电路设计毕业论文作者：林啸指导老师：章亚明2002.6.17摘要USB作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快等特点而备受青睐。本文简要介绍USB接口的特点、硬件结构、数据流传送以及外设控制器的实现方式。并详细说明利用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接口电路的过程。引言•USB简介USB的英文全称为UniversalSerialBus,中文含义是通用串行总线，它是一种快速的，双向的，同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以连接多个不同的设备，而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快是USB技术的突出特点之一。全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s,比串口快了整整100倍，而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s.这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要。正是由于USB的这些特点，使其获得了广泛的应用。到目前为止，USB已经在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说，USB是设计外设接口时理想的总线。引言•设计内容对于USB接口芯片，通常分为普通和DMA（直接存储器存取）两种工作模式。相对于普通模式，DMA数据传输模式传输速率更快，更适合于视频数字信号等高速、实时信号的传送。但遗憾的是，国内市场上提供的各种USB接口电路板大部分仅工作在普通模式，缺少对DMA工作模式的支持，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。为了解决这个问题，我们对USB的原理进行了研究，尝试着利用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，现已设计出了完整的硬件电路。1、USB概述•概述由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB（UniversalSerialBus)翻译为中文就是通用串行总线，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和NorthenTelecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。1、USB概述•USB的主要优点：–使用方便。连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源–速度快。USB支持三种设备传输速率：1.5Mb/s（低速设备）、12Mb/s（中速设备）和480Mb/s（高速设备）。–独立供电。USB接口提供了内置电源。–连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。–成本低。为了把外设连接到PC上，USB提供了一种低成本的解决方案。2、USB结构与工作原理•USB物理总线的拓扑一个USB系统包含三类硬件设备:USBHOST(USB主机)、USBDEVICE(USB设备)、USBHUB(USB集线器)。2、USB结构与工作原理•USB物理总线的拓扑–USBHOST（USB主机）在一个USB系统中，仅有一个USBHOST，USBHOST有以下功能: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。–USBDEVICE（USB设备）USBDEVICE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：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USBHOST的数据包与USBHOST进行数据传输。–USBHUB（USB集线器）USBHUB用于设备扩展连接，所有USBDEVICE都连接在USBHUB的端口上。一个USBHOST总与一个根HUB(USBROOTHUB)相连。2、USB结构与工作原理•USB的数据流传输•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。3、USB外设控制器的两种实现方式•连接方式USB芯片在外设领域的应用面很广。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的，如CYPRESS的EZ-USB；另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD12,NationalSemiconductor的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控制器是通过串行口或并行口与MCU连接，在传输速度方面不如集成了MCU的控制芯片。不同的实现方式在设计开销、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。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（DirectMemoryAccess）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MCU微处理器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，MCU暂停工作。由于DMA传送方式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。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•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。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•多功能USB接口电路的框图这个框图显示了两种接口方案：普通模式和DMA模式。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•方案一：普通模式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。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•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。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•系统主要部件及电路该系统电路主要包括：–DMA方式数据传输电路–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扩展接口电路下面简述部分电路的功能和特点。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•DMA方式数据传输电路CCD_IN为经过A/D转化或二值化处理的视频数字信号，CCD_CLK1为脉冲同步信号，CCD_CLK2为行同步信号，CCD_CLK3为场同步信号。计数器对CCD_CLK1进行计数，满8个脉冲向D12的读端发一个低电平，通知D12对164里面的数据进行读取。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•数据选择电路数据选择电路是由两片74H157搭建而成，数据选择DATA_SEL端连到了51的控制口线上，由51控制D12的并行数据I/O口是和51的P0口相连还是和74HC93串并转换输出的并行数据线相连，从而到达了数据选择的作用。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•串并转换及计数器电路电路中74HC164起了串并转换的作用，在DMA工作方式下，通过接入数据同步脉冲，把外设接口1送入的串行数据转化成并行数据，供D12直接读取。计数器74HC93负责对CCD_CLK1进行计数，满8个脉冲向D12的读端发一个低电平，通知D12对164里面的数据进行读取。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•复位挂起电路挂起和复位电路被设计在一起，允许器件进入挂起模式还可以达到在USB规格Rev.1.1中所陈述的挂起限制电流。执行此功能以后将强迫MCU进入掉电模式，MCU振荡器停止工作。只有硬件复位才能唤醒MCU工作。从这个电路中，复位信号是连接到复位电路的，当上位PC机从挂起状态恢复时，将导致D12触发挂起信号，并通过上面的电路而产生复位信号。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•外设接口2外设接口2采用了标准的IDE接口连线方式，可直接与计算机硬盘、光驱、光盘刻录机等相连，用于传输海量数据，使用方便。由于采取了51接口扩展的方式，通过对接口的转换，也可以与其他更多的外设相连，用途比较广泛。4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计•电路原理图结束语USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准。它使设备具有热插拔，即插即用，自动配置的能力，并标准化设备连接。USB的级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使增加，使用外设更加便捷，快速。而新提出的USB2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度，可以说，USB接口具有美好的应用前景。