【正文】 信息包標示符（PID）開頭，作為信息包的識別。根據(jù)事務(wù)種類的不同，PID后面可能有端點地址、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，或者是一個在幀號碼、錯誤校驗位。在控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸中都有一個相位是聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包，它包含的是聯(lián)絡(luò)信息。但是聯(lián)絡(luò)信號不是僅僅在聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包中，有些數(shù)據(jù)信息包中也包含聯(lián)絡(luò)信號。USB定義的聯(lián)絡(luò)信號如下：①ACK(Acknowledge)：表示主機或設(shè)備已成功接收數(shù)據(jù)。②NAK(Negative Acknowledge)：表示設(shè)備在忙中。③STALL：表示3種意義，即不支持的控制要求、控制要求失敗或端點失敗。④NYET（Not Yet）：表示設(shè)備是否已準備好接收數(shù)據(jù)，只有高速設(shè)備使用。⑤ERR（Error）：表示在集線器和主機事務(wù)中，設(shè)備沒有傳回預(yù)期的聯(lián)絡(luò)信號。ERR只有在高速集線器完成事務(wù)分割時才會使用。 USB的傳輸結(jié)構(gòu)USB的傳輸結(jié)構(gòu)描述的是各個類型USB傳輸?shù)臅r序、數(shù)據(jù)包和特征。下面分別介紹一下4種USB傳輸類型的傳輸結(jié)構(gòu)：控制傳輸控制傳輸用于在設(shè)備初次連接時對器件進行配置，以及對設(shè)備的狀態(tài)進行實時檢測，還有在設(shè)備配置完成后用于特殊傳輸目的。端點0只可以采用控制傳送的方式。每一個控制傳輸都必須有設(shè)置與狀態(tài)階段，數(shù)據(jù)階段則是選擇性的?？刂苽鬏?shù)脑O(shè)置事務(wù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖21所示：圖21 控制傳輸結(jié)構(gòu)示意圖控制傳送的數(shù)據(jù)階段，由一個以上的輸入或輸出事務(wù)構(gòu)成，遵守和批處理傳送相同的協(xié)議規(guī)則。所有的數(shù)據(jù)階段里的事務(wù)都必須有相同的方向（即全部輸入或全部輸出）。在數(shù)據(jù)項中要發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量和其方向在建立階段被指定。如果數(shù)據(jù)的數(shù)量超過了先前確定的數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)在支持最大的包大小的多個事務(wù)中被發(fā)送（輸入或輸出）。任何剩下的數(shù)據(jù)都作為剩余在最后的事務(wù)中被發(fā)送。批量傳輸批量傳輸包含一個或者多個傳輸事務(wù)，其傳輸是單方向的，即所有的事務(wù)都必須是輸入或輸出事務(wù)。如果需要雙向傳數(shù)據(jù)，需要另建立一個管道。批量傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖22所示：圖22 批量傳輸結(jié)構(gòu)示意圖中斷傳輸中斷傳輸適用于小批量的、點式、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場合。中斷傳輸必須在指定的時間內(nèi)完成，它一般應(yīng)用于鼠標、鍵盤、游戲桿等HID（Human Interface Device）類設(shè)備以及集線器的狀態(tài)報表中。中斷傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖23所示：圖23 中斷傳輸結(jié)構(gòu)示意圖同步傳輸同步傳輸?shù)囊饬x在于每一個幀或者微幀內(nèi)必須傳輸固定數(shù)目的字節(jié)數(shù)據(jù)，它適用于固定速度或者特定時間的傳輸。同步傳輸沒有聯(lián)絡(luò)階段，所以不能保證傳輸?shù)耐耆煽啃浴?同步傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖24所示：圖24 同步傳輸結(jié)構(gòu)示意圖 USB總線枚舉過程USB規(guī)范定義的設(shè)備狀態(tài)總共有6個，分別是連接（Attached）、上電（Powered）、默認（Default）、地址（Address）、配置（Configured）和掛起（Suspend）。USB總線枚舉過程中，USB設(shè)備需要經(jīng)歷后4種狀態(tài)。USB集線器負責監(jiān)測設(shè)備的連接情況，而USB主機會通過集線器輪詢地查詢設(shè)備。當主機發(fā)現(xiàn)一個新的設(shè)備時，會要求集線器建立與設(shè)備的通信通道，即設(shè)備的端點0，控制傳輸端點。之后，主機會通過此通道向設(shè)備發(fā)送一系列的標準USB 請求以獲取所需的信息，設(shè)備必須響應(yīng)這些請求并且采取適當?shù)膭幼?。這個過程即稱為USB的總線枚舉?？偩€枚舉的過程如下：① 設(shè)備連接USB設(shè)備通過USB總線與主機相連。② 設(shè)備上電USB設(shè)備可以采用USB總線供電，也可以使用外部電源供電。③ 主機檢測到設(shè)備，進行復位設(shè)備連接到總線后，主機通過檢測設(shè)備在差分信號線的上拉電阻檢測到有新的設(shè)備連接，并獲釋該設(shè)備是全速設(shè)備還是低速設(shè)備，如果上拉電阻與D+線相連，則為全速設(shè)備，如果上拉電阻與D－線相連，則為低速設(shè)備，主機確認有設(shè)備連接后，向該端口發(fā)送一個復位信號。④ 設(shè)備默認狀態(tài)設(shè)備收到一個復位信號后，連接到主機的所有設(shè)備的地址為默認地址（00H），主機會首先發(fā)送一個獲取設(shè)備描述符的請求，設(shè)備通過這個默認地址向主機發(fā)送第一次設(shè)備描述符。⑤ 地址分配當主機接收到有設(shè)備對默認地址（00H）來響應(yīng)的時候，就確認有設(shè)備連接，主機對設(shè)備分配一個空閑的地址（如02H），以后設(shè)備就只對02H地址進行響應(yīng)。⑥ 讀取USB設(shè)備描述符主機分配給設(shè)備地址后，通過這個地址主機讀取該設(shè)備描述符，確認USB設(shè)備的屬性。⑦ 設(shè)備配置主機依照讀取的USB設(shè)備描述符來進行配置，如果設(shè)備所需的USB資源得以滿足，主機就會查找驅(qū)動，當正確找到驅(qū)動后，主機給設(shè)備發(fā)送配置命令，配置完畢后，這個USB設(shè)備就枚舉成功了。⑧ 掛起為了節(jié)省電源，當總線保持空閑狀態(tài)超過3ms以后，設(shè)備驅(qū)動程序就會進入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)時，設(shè)備的消耗電流不超過500181。A。當被掛起時，USB設(shè)備保留了包括其地址和配置信息在內(nèi)的所有的內(nèi)部狀態(tài)。 USB的設(shè)備描述符標準的USB描述符包括設(shè)備（Device）描述符、配置（Configuration）描述符、接口（Interface）描述符、端點（Endpoint）描述符以及字符串（String）描述符，字符串描述符不是必須的。不同的描述符從不同的層級來表示設(shè)備的屬性。設(shè)備描述符包含了整個設(shè)備的信息以及設(shè)備支持的配置號碼，每一個設(shè)備只能由一個設(shè)備描述符。但每一個設(shè)備可以有幾個配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號碼。接口描述符包含了與端點通信所需要的信息，它可以有零個或多個端點描述符。各個描述符的樹狀結(jié)構(gòu)如圖25所示：圖25 描述符的樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)備描述符描述了一個USB設(shè)備的總體信息，它在枚舉過程中主機從設(shè)備讀取的第一個描述符。設(shè)備描述符總共有18個字節(jié)，分為14個字段。配置、接口以及端點描述符是在主機得到設(shè)備描述符之后發(fā)送給主機的。配置描述符描述了一個特定的設(shè)備配置信息，主機使用Set_Configuration請求來選擇一個配置，用Get_Configuration請求來返回一個配置。當主機請求獲取一個配置描述符的時候，與配置描述符相關(guān)的所有接口、端點描述符都會一并返回。配置描述符由9個字節(jié)組成，分為8個字段。接口描述符描述了一個配置中的特定接口。接口描述符總是作為配置描述符的一部分被返回，主機不能通過Get_Descriptor請求直接獲取接口描述符。接口描述符由9個字節(jié)組成，分為9個字段。端點描述符包含了主機用來確定一個端點帶寬要求的信息。除了端點0外，一個接口所使用的每一個端點都有它自己的描述符。端點0不需要描述符，它也不能直接由Get_Descriptor請求來獲得。端點描述符由7個字節(jié)組成，分為6個字段。 USB請求USB規(guī)范定義了3種請求，分別是標準請求（Standard Request）、類請求（Class Request）和廠商請求（Vendor Request）。USB規(guī)范定義了11種標準請求，所有設(shè)備都必須對這11種請求作出響應(yīng)，即使當主機沒有給設(shè)備分配一個地址或者沒有配置設(shè)備。某些設(shè)備的功能類似或者提供類似的服務(wù)，USB協(xié)議就將它們歸為一類，并且定義了特定的請求，稱為類請求。但是只有類請求是不能滿足眾多USB廠商的需求的，所以，USB協(xié)議允許一個供應(yīng)商為它的設(shè)備自定義特殊的請求，此類請求稱為廠商請求。所有的USB總線設(shè)備以缺省控制管道響應(yīng)主機發(fā)出的請求，這些請求是通過控制傳輸來完成的，請求及請求的參數(shù)通過Setup包發(fā)向設(shè)備，由主機負責設(shè)置Setup包內(nèi)的每個域的值。Setup包格式如表21所示。表21 SETUP包格式大?。˙）11222域bmRequestTypebRequestwValuewIndexwLength，bmRequestType表示設(shè)備請求類型，D7：數(shù)據(jù)傳輸方向， 0＝主機到設(shè)備，1＝設(shè)備到主機；D6…5：類型，0＝標準，1＝類型，2＝廠商，3＝保留；D4…0：接收方，0＝設(shè)備，1＝接口，2＝端點，3＝其它；4…31＝保留。bRequest表示USB設(shè)備請求值，標準請求有11個命令。wValue為值，它根據(jù)不同的請求，以字節(jié)來定義，例如，設(shè)備請求為Get Descriptor(06H)，wValue為01H時，表明要發(fā)送設(shè)備描述符。wLength表示長度，如果傳輸?shù)氖且唤M數(shù)據(jù)，則這個長度的值表示要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。本章介紹了USB協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，包括USB傳輸要件，USB傳輸中的事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號，USB的傳輸結(jié)構(gòu)，USB的總線枚舉過程，USB的設(shè)備描述符以及USB請求。本章為本設(shè)計下面內(nèi)容的展開奠定了基礎(chǔ)。第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計如前所述 ，USB系統(tǒng)中的通信主要由主機控制，這里的主機是指計算機硬件與軟件的結(jié)合體，不是單純的硬件。在開發(fā)USB的外圍設(shè)備時，需要有主機中主控制器對應(yīng)外設(shè)控制器和外設(shè)響應(yīng)軟件程序。其中硬件部分的收發(fā)器的作用是驅(qū)動和接收USB的差分數(shù)據(jù)，串行輸入引擎SIE的作用是前端硬件和USB標準中相關(guān)規(guī)定的協(xié)議內(nèi)容，即包識別、數(shù)據(jù)編碼和譯碼、填充和去填充、CRC錯誤校驗、數(shù)據(jù)串并和并串轉(zhuǎn)換等。協(xié)議引擎部分的主要作用是操作控制管道(端點0)的消息流、USB標準中相關(guān)內(nèi)容規(guī)定的最底層協(xié)議和數(shù)據(jù)接受與發(fā)送。 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于USB總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、USB接口芯片，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)8路數(shù)據(jù)自動采集。主要包括5個組成部分：中央處理器選用AT89C51芯片，完成各部分控制功能和USB傳輸協(xié)議；A/D轉(zhuǎn)換器和接口電路主要完成數(shù)據(jù)采集，并讀入MCU處理；復位電路完成對MCU的上電復位和電源電壓監(jiān)視；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機間的通信電路采用USB接口。單片機通過8位并行接口傳送經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù)，存儲在FIFO存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎SIE立刻對數(shù)據(jù)進行處理，包括同步模式識別、并／串轉(zhuǎn)換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收/發(fā)器通過D+、D發(fā)送至PC。現(xiàn)場電信號A / D轉(zhuǎn)換器USB接口芯片PC機MCU圖31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖 芯片選擇USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由微控制器AT89C51,A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809,USB接口芯片PDIUSBDI2組成。在實際開發(fā)過程中使用USB D12 SMART開發(fā)套件，使用其預(yù)留的擴展口在試驗板上搭建AID轉(zhuǎn)換電路，并對開發(fā)板電路進行相應(yīng)修改而實現(xiàn)此硬件系統(tǒng)。要實現(xiàn)一個USB設(shè)備，首先面對的問題就是選擇一種適合的USB控制芯片。從芯片大的構(gòu)架來分，市面上所有的USB控制器芯片可以分為不需要外接微控制器的芯片和需要外接微控制器的芯片。而不需要外接微控制器的芯片又可以分為專門為USB設(shè)計的芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。 該類芯片是廠商為開發(fā)USB應(yīng)用設(shè)備而專門設(shè)計的，, CY7C6372等等。 內(nèi)嵌通用微控制器的USB控制芯片可以說是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴展了USB功能。這些控制器芯片的優(yōu)點是開發(fā)者已經(jīng)熟悉了這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，所以開發(fā)起來救比較容易。即使用戶不熟悉這些芯片的結(jié)構(gòu)，但是介紹這些微控制器的書籍和關(guān)于他們的范例程序、開發(fā)工具等都可以作為設(shè)計時的參考。此類芯片的典型代表有:Cypress公司的EZarU SB系列芯片(內(nèi)嵌80C186), Atmel公司的AT76C711(內(nèi)嵌Atmel AVR), SIEMENS公司的C541U(內(nèi) 嵌80C51,8 0052)等等。 這些USB控制芯片只負責處理USB相關(guān)的通信工作，而且必須由外部微控制器的控制才能正常工作。如果選擇了這種設(shè)計方按，那么必須再選擇一個微控制器芯片，這樣就增加了設(shè)備的體積。但其優(yōu)點是用戶可以選擇任何一種己熟悉的微控制器，而且這種芯片價格也相對便宜。 ADC0809ADC0809允許的最大時鐘頻率為1280kHz，主要管腳功能如下:地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路圖32 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)模擬量輸入。 ADC0809對輸入模擬量要求信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 通道選擇表如下表31所示。表31CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條 ST為轉(zhuǎn)換啟動信號:當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。 VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。CLOCK: 時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ.START: 啟動脈沖輸入端。在時鐘脈沖頻率為640kHz時，START脈寬應(yīng)大于100ns200ns 。EOC: EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。D7DO: 轉(zhuǎn)換所得八位輸出數(shù)據(jù)，D7是最高位