USB总线接口的开发

### USB总线接口的开发 #### 一、引言 USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）作为一种快速、双向、同步传输、廉价并可进行热插拔的串行接口，自推出以来就得到了广泛的应用和发展。USB技术最初是为了实现计算机和通信设备的集成而提出的一种用于扩充PC体系结构的工业标准。随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐渐成为PC的标准接口之一。与此同时，使用USB接口的设备也越来越多，因此，在设计外设接口时，USB已成为首选总线。 本文将详细介绍USB的体系结构和信号电平，并简要介绍一种USB接口芯片PDIuS BD12的功能。此外，还将给出一个使用80C51单片机作为微控制器的数据采集设备利用PDIuS BD12与USB相连的接口实例，并探讨USB设备的不同开发方法。 #### 二、USB的体系结构 USB系统可以从三个方面进行描述：USB互联、USB主机和USB设备。 ##### 1. USB互联 USB互联指的是USB设备和主机之间的连接和通信方式，主要包括总线拓扑、层间关系、数据流模型和任务规划等方面。其中，总线拓扑是理解USB互联的关键部分之一。 - **总线拓扑**：USB物理互联是一个层次的星型拓扑结构，如图1所示。每个星型结构的中心是一个集线器（Hub）。每一段都是主机（Host）和集线器或某一功能设备（Function）之间的点到点连接，或者是在Hub与另一个Hub（或Function）之间的点到点连接。 ##### 2. USB主机 - **USB主控制器**：任何USB系统中仅有一台主机，主机系统的USB接口称为USB主控制器，它可以是硬件、固件、软件或它们的联合体。根集线器集合在主机系统中，它可以提供一个或多个接入端口。 - **主机完成的操作**：USB主机通过主机控制器与USB设备进行交互，主要负责控制USB设备的连接和拆除、管理主机和USB设备之间的数据流、搜集状态信息和统计数据、为连接的USB设备提供额定功率等操作。 - **系统软件与设备软件的交互**：主机中的USB系统软件用于管理USB设备和基于主机的设备软件之间的交互，包括设备枚举和配置、同步数据传输、异步数据传输、电源管理、设备和总线管理信息等五个方面。 ##### 3. USB设备 USB设备包括Hub和Function。Hub提供了更多的访问USB总线的接入点，而Function则向系统提供特定的功能，例如调制解调器、打印机等。 #### 三、USB信号电平 USB信号电平是指USB接口中信号的电压范围和技术规格，这是确保USB设备能够正确通信的基础。USB定义了两种类型的信号：差分信号（D+和D-）和非差分信号（Vcc、GND等）。 - **差分信号**：D+和D-线上的电压在数据传输过程中会有所变化，这些变化用来表示“0”或“1”的比特值。 - **非差分信号**：Vcc和GND分别代表供电电压和地线，用于为USB设备供电。 #### 四、USB接口芯片PDIuS BD12 PDIuS BD12是一种USB接口芯片，用于实现微控制器与USB总线之间的通信。该芯片具有以下特点： - 支持USB 1.1规范，最大数据传输速率为12Mbps。 - 提供简单易用的编程接口，可以轻松集成到各种应用中。 - 内置了必要的硬件资源，如缓冲区管理和错误检测功能，简化了开发过程。 - 支持多种操作系统和开发环境，如Windows、Linux等。 #### 五、使用80C51单片机的数据采集设备与USB相连的接口实例 本节将简要介绍一个使用80C51单片机作为微控制器的数据采集设备与USB相连的接口实例。 - **硬件设计**：设计中采用80C51单片机作为核心处理器，负责数据采集和处理工作。PDIuS BD12芯片用于实现与USB主机的通信。 - **软件设计**：软件设计主要包括两部分：一是80C51单片机的程序设计，实现数据采集和处理功能；二是PDIuS BD12驱动程序的设计，用于实现与USB主机的通信。 #### 六、USB设备的不同开发方法 在开发USB设备时，根据不同的需求可以选择不同的开发方法： - **基于专用USB控制器的开发**：使用专门的USB控制器芯片，如PDIuS BD12，这种方案适用于需要高性能、高可靠性的应用场景。 - **基于微控制器内置USB功能的开发**：某些现代微控制器已经内置了USB功能，可以直接使用这些功能来实现USB通信。 - **基于软件模拟的开发**：对于没有内置USB功能的微控制器，可以通过编写软件模拟USB协议栈来实现USB通信，但这种方法效率较低，适用于低成本、低功耗的应用场景。 #### 七、结论 本文详细介绍了USB的体系结构、信号电平、USB接口芯片PDIuS BD12的功能，并给出了一个使用80C51单片机的数据采集设备利用PDIuS BD12与USB相连的接口实例。此外，还探讨了USB设备的不同开发方法。这些内容对于理解USB技术及其在实际应用中的实现具有重要意义。随着USB技术的不断发展和完善，其在未来的信息技术和通讯领域将继续发挥重要作用。