1、山東大學(xué)物理與微電子學(xué)院,USB接口研究與硬件電路設(shè)計,畢業(yè)論文,作 者：林 嘯 指導(dǎo)老師：章亞明 2002.6.17,摘要,USB作為一種新型的接口技術(shù)，以其簡單易用、速度快等特點而備受青睞。 本文簡要介紹USB 接口的特點、硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流傳送以及外設(shè)控制器的實現(xiàn)方式。并詳細說明利用51單片機結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件，設(shè)計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路的過程。,引 言,USB簡介 USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸?shù)牧畠r的并可以進行熱拔插的

2、串行接口。 USB接口使用方便，它可以連接多個不同的設(shè)備，而過去的串口和并口只能接一個設(shè)備。速度快是USB技術(shù)的突出特點之一。全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標準的高速USB接口速率更是達到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實時傳送成為可能。普通的使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要。 正是由于USB的這些特點，使其獲得了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，USB已經(jīng)在PC機的多種外設(shè)上得到應(yīng)用，包括掃描儀，數(shù)碼相機，數(shù)碼攝像機、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設(shè)備等。對于廣大的工程設(shè)計人員來說，USB是設(shè)計外設(shè)接口

3、時理想的總線。,引 言,設(shè)計內(nèi)容 對于USB接口芯片，通常分為普通和DMA（直接存儲器存取）兩種工作模式。相對于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號等高速、實時信號的傳送。 但遺憾的是，國內(nèi)市場上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設(shè)計開發(fā)。 為了解決這個問題，我們對USB的原理進行了研究，嘗試著利用51單片機結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件,設(shè)計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路，現(xiàn)已設(shè)計出了完整的

4、硬件電路。,1、USB概述,概述 由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對外設(shè)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運而生。 USB（Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。 現(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對 USB

5、的支持。,1、USB概述,USB的主要優(yōu)點： 使用方便。連接外設(shè)不必再打開機箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源 速度快。USB支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5 Mb/s（低速設(shè)備）、12 Mb/s（中速設(shè)備）和480 Mb/s（高速設(shè)備）。 獨立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。 連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用 串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個設(shè)備連接在一起，再同PC機的USB口相接。 成本低。為了把外設(shè)連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。,2、USB結(jié)構(gòu)與工作原理,USB物理總線的拓撲 一個USB系統(tǒng)包含三類硬件設(shè)備

6、: USB HOST(USB主機)、 USB DEVICE(USB設(shè)備)、 USB HUB(USB集線器)。,2、USB結(jié)構(gòu)與工作原理,USB物理總線的拓撲 USB HOST（USB主機） 在一個USB系統(tǒng)中，僅有一個USB HOST，USB HOST有以下功能: 管理USB系統(tǒng)；每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)； 發(fā)送配置請求對USB設(shè)備進行配置操作； 對總線 上的錯誤進行 管理和恢復(fù)。 USB DEVICE （USB設(shè)備） USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)包的地址域來判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過響應(yīng)USB HOST的數(shù)據(jù)包與U

7、SB HOST進行數(shù)據(jù)傳輸。 USB HUB （USB集線器） USB HUB用于設(shè)備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。,2、USB結(jié)構(gòu)與工作原理,USB的數(shù)據(jù)流傳輸 控制傳輸類型：支持外設(shè)與主機之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機之間提供一個控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。 等時傳輸類型：支持有周期性，有限的時延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無差錯校驗，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計算機電話集

8、成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機的數(shù)據(jù)傳輸。 中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但對響應(yīng)時間敏感，要求馬上響應(yīng)。 數(shù)據(jù)塊傳輸類型：支持打印機，掃描儀，數(shù)碼相機等外設(shè)，這些外設(shè)與主機間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。,3、USB外設(shè)控制器的兩種實現(xiàn)方式,連接方式 USB芯片在外設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用面很廣。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU集成在芯片里面的，如 CYPRESS的EZ-USB；另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD12,National Semicon

9、ductor的USBN9604等。 集成MCU的USB控制芯片 優(yōu)點是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸，最大限度的發(fā)揮USB高速的特點。而且簡化了程序的設(shè)計，極大地降低了USB外設(shè)的開發(fā)難度。缺點是靈活性不夠高，開發(fā)成本較大。 純粹的USB接口芯片 的優(yōu)點是系統(tǒng)組成靈活，可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，搭配不同的MCU，具有較高的性能價格比。但因為USB控制器是通過串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速度方面不如集成了MCU的控制芯片。 不同的實現(xiàn)方式在設(shè)計開銷、元器件開銷和引腳數(shù)方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著在以上各項指標中進行取舍。,4

10、、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,目前，市場上提供的USB接口電路板很多，但大部分僅使用普通的工作模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設(shè)計開發(fā)。 所謂的DMA傳送方式，全名叫直接存儲器存取（Direct Memory Access）數(shù)據(jù)傳送方式，是指采用專門的硬件（DMA控制器）來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器可以從MCU微處理器那里接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，并且由本身發(fā)出存儲器地址信號以及訪問存儲器和I/O設(shè)備的讀/寫脈沖等控制信號，使得數(shù)據(jù)通過總線，直接在存儲器和I/O設(shè)備之間（或I/O設(shè)備與存儲器之間，存儲器

11、與存儲器之間）進行傳送。在DMA接管總線執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送過程中，MCU暫停工作。 由于DMA傳送方式傳輸數(shù)據(jù)可由硬件自身控制，大大提高了傳送速率，十分適合于高速數(shù)據(jù)的采集。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,系統(tǒng)概況： 該系統(tǒng)主要實現(xiàn)USB的接口功能，通過它，外設(shè)與計算機之間可以實現(xiàn)USB方式的連接。外設(shè)接口1用于DMA方式數(shù)據(jù)的傳送，可與CCD攝像頭等設(shè)備相連。外設(shè)接口2采用了標準的IDE接口方式，可直接于硬盤等大容量存儲器相連，傳輸海量數(shù)據(jù)，也可以通過接口轉(zhuǎn)換，與其他功能的外設(shè)相連，具有較廣的適用性。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,多功能USB接

12、口電路的框圖,這個框圖顯示了兩種接口方案：普通模式和DMA模式。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,方案一：普通模式,該框圖說明了連接外設(shè)的 一種簡單模式，所有寄存 器和數(shù)據(jù)的讀寫都是通過 8051 的I/O 來仿真的，因 此數(shù)據(jù)吞吐速率較低，適 合間歇式數(shù)據(jù)的傳送。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,方案二：DMA模式,數(shù)據(jù)傳送以DMA方式， 直接由D12傳送到計算機 里，MCU只完成DMA 的初始化工作，傳輸速度 快，適合于視頻數(shù)字信號 等高速實時傳送。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,系統(tǒng)主要部件及電路 該系統(tǒng)電路主要包

13、括： DMA方式數(shù)據(jù)傳輸電路 89C51控制電路 PDIUSBD12 接口電路 數(shù)據(jù)選擇電路 串并轉(zhuǎn)換電路 掛起復(fù)位電路 IDE擴展接口電路 下面簡述部分電路的功能和特點。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,DMA方式數(shù)據(jù)傳輸電路,CCD_IN為經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化或二值化 處理的視頻數(shù)字信號，CCD_CLK1 為脈沖同步信號，CCD_CLK2為行 同步信號，CCD_CLK3為場同步信 號。計數(shù)器對CCD_CLK1進行計數(shù) ，滿8個脈沖向D12的讀端發(fā)一個低 電平，通知D12對164里面的數(shù)據(jù)進 行讀取。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,數(shù)據(jù)選擇電路,數(shù)

14、據(jù)選擇電路是由兩片74H157搭建而成， 數(shù)據(jù)選擇DATA_SEL端連到了51的控制口 線上，由51控制D12的并行數(shù)據(jù)I/O口是和 51的P0口相連還是和74HC93串并轉(zhuǎn)換輸出 的并行數(shù)據(jù)線相連，從而到達了數(shù)據(jù)選擇 的作用。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,串并轉(zhuǎn)換及計數(shù)器電路,電路中74HC164起了串并轉(zhuǎn)換的作用， 在DMA工作方式下，通過接入數(shù)據(jù)同 步脈沖，把外設(shè)接口1送入的串行數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)，供D12直接讀取。 計數(shù)器74HC93負責(zé)對CCD_CLK1進行 計數(shù)，滿8個脈沖向D12的讀端發(fā)一個 低電平，通知D12對164里面的數(shù)據(jù)進行 讀取。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,復(fù)位掛起電路,掛起和復(fù)位電路被設(shè)計在一起，允許器件進入掛起模式還可以達到在USB 規(guī)格Rev.1.1 中所陳述的掛起限制電流。 執(zhí)行此功能以后將強迫MCU 進入掉電模式，MCU 振蕩器停止工作。只有硬件復(fù)位才能喚醒MCU工作。從這個電路中，復(fù)位信號是連接到復(fù)位電路的，當上位PC 機從掛起狀態(tài)恢復(fù)時，將導(dǎo)致D12 觸發(fā)掛起信號，并通過上面的電路而產(chǎn)生復(fù)位信號。,4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計,外設(shè)接口2,外設(shè)接口2采用了標準的IDE接口連線方式，可直接與計算機硬盤、光驅(qū)、光盤刻錄機等相連，用于傳輸海量數(shù)據(jù)，