【正文】 第 4 章 PC 與單片機(jī)通過 USB 的通信設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方案選擇 由于實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)在 數(shù)據(jù)處理能力、人機(jī)交互等方面往往不能滿足要求 , 因而通常用 PC來彌補(bǔ)單片機(jī)的這些不足。 USB 具有檢查錯(cuò)誤的能力，并且可以根據(jù)傳輸類型的要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。在接收到 EOP信號(hào)之后， Hub關(guān)閉低速設(shè)備的端口。圖 317 是一次低速的輸入操作，主機(jī)發(fā)送令牌與應(yīng)答包并且接收了一個(gè)數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)可以被接收，并且兩者的序列位匹配，則該數(shù)據(jù)被接收并且發(fā)送 ACK，同時(shí)接收者的序列位被觸發(fā)。同步傳輸方式不支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)同步。這一同步過程是通過 Data0 和 Data1 的 PID 以及發(fā)送者與接收者上的數(shù)據(jù)觸發(fā)序列位（ data toggle sequence bit） 來實(shí)現(xiàn)的。 圖 312中斷操作流程 同步操作（ isochronous transaction） : 同步操作不同于其他類型，如圖 313所示，其 只包含兩個(gè)階段：令牌和數(shù)據(jù) 。 圖 39批操作讀寫過程 控制操作 (control transaction):主要包括兩個(gè)操作階段（ transaction stage） :設(shè)置和狀態(tài)。 特殊包（ Special） :PID 名稱為 PRE（ preamble） ,用于低速操作的情形 。只有支持流控制的傳輸類型（控制中斷和批傳輸）才能返回Handshake。這兩種包的定義是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)同步。 對(duì)于 SOF 包，它的格式如圖 35 所示。其中 IN、 OUT、 SETUP 的格式如圖 34 所示。這個(gè)域只存在于每幀開始時(shí)的 SOF令牌中。所有的設(shè)備必須支持一個(gè)控制端點(diǎn) 0(endpoint0)。 ADDR 共 6 位，因此最多可以有 127 個(gè)地址。如果外設(shè)接收到一個(gè)PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設(shè)將不作響應(yīng)。 SYNC 的最后兩位作為一個(gè)記號(hào)表明 PID 域 (標(biāo)識(shí)域 )的開始。任何操作都是從主機(jī)開始的，主機(jī)以預(yù)先排好的時(shí)序，發(fā)出一個(gè)描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點(diǎn)號(hào)的包，我們稱之為令牌包 (Token Packet)。 所有的設(shè)備都有上行的接口。 USB信號(hào)線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長(zhǎng)不能超過 5m； 而在低速模式時(shí)中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線，但最長(zhǎng)不能超過 3m。 圖 33 USB電纜定義 其中， D+和 D是一對(duì)差模的信號(hào)線，而 VBus和 GND則提供了 +5V的電源，它可以給一些設(shè)備 (包括 Hub)供電，但也要有一定的條件限制。 支持最多 5個(gè) Hub 層以及 127 個(gè)外設(shè)。通常情況下，同步方式和中斷方式的傳輸會(huì)占據(jù)整個(gè)帶寬的 90%剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù)。這種類型的設(shè)備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳輸完成之后再傳輸和接收數(shù)據(jù)。鍵盤、操縱桿和鼠標(biāo)就屬于這一類 型。例如，執(zhí)行即時(shí)通話的網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用時(shí)，使用同步傳輸模式是很好的選擇?？刂苽鬏敺绞娇梢园? 1 32和 64字節(jié)的數(shù)據(jù)，這依賴于設(shè)備和傳輸速度。如果是從硬件開始來設(shè)計(jì)整個(gè)的系統(tǒng)那還要正確選擇傳輸?shù)姆绞?，而作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的書寫者就只需要弄清楚 其采用的什么工作方式就行了。 要求， USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸 Bulk數(shù)據(jù)、傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如 SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能插拔外圍設(shè)備。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 31設(shè)備層次結(jié)構(gòu) USB 的優(yōu)點(diǎn) USB通信有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： USB外設(shè)提供了單一的、易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。 最底層是總線接口，用來發(fā)送與接收包。管道有兩種類型，數(shù)據(jù)流管道（其中的數(shù)據(jù)沒有 USB定義的結(jié) 構(gòu)）與消息管道（其中的數(shù)據(jù)必須有 USB定義的結(jié)構(gòu)）管道只是一個(gè)邏輯上的概念。用于設(shè)備初始化參數(shù)等。每個(gè)端點(diǎn)都有一定的特性。為了進(jìn)一步敘述，我們給出端點(diǎn) (endpoint)和管道 (pipe)的概念。 USB 允許外設(shè)在主機(jī)和其它外設(shè)工作時(shí)進(jìn)行連接、 配置、使用及移除，即所謂的即插即用（ Plugamp。另一種方法是通過采用嵌有時(shí)鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同步信息。 和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長(zhǎng)容易引起時(shí)鐘漂移。例如，在使用 Modem 上網(wǎng)時(shí)，普遍感覺速度很慢，除了傳輸速率低之外，與通信開銷大、通信效率低也密切相關(guān)。典型的速率有： 9600 b/s、 、 56kb/s 等。一個(gè)字符占用 5~8 位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。 通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位，每個(gè)字符都要附加 1位起始位和 1位停止位，以標(biāo)記一個(gè)字符的開始和結(jié)束，并以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。 圖 25全雙工 異步傳輸和同步傳輸 串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位按照到達(dá)的順序依次傳輸?shù)?，每位?shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要時(shí)鐘來控制。 當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖 25所示。 圖 24半雙工方式 當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)用串行接口連接顯示終端時(shí)，在半雙工方式中，輸入過程和輸出過程使用同一通路。但單工目前已很少采用，下面僅介紹前兩種方式。 電話線就是二線全雙工信道。計(jì)算機(jī)或 PLC 各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。 圖 22 25針和 9針串行接口 在計(jì)算機(jī)和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通 常是靠電纜或信道上的電流或電壓變化實(shí)現(xiàn)的 。使用校驗(yàn)位提供了一個(gè)基本的機(jī)制，以檢測(cè)已發(fā)送數(shù)據(jù)損壞，但不保證檢查數(shù)據(jù)本身的錯(cuò)誤。波特率通常以每秒的位數(shù)（ bps）來計(jì)量。兩個(gè)發(fā)送方和接收器必須設(shè)置為相同的數(shù)據(jù)通信比特或正確的比特率。 一個(gè)串行設(shè)備一次發(fā)送和接收一位數(shù)據(jù)，有些設(shè)備因?yàn)樵谕粫r(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，被稱為全雙工設(shè)備。對(duì)于并行通信，你需要采用 8條導(dǎo)線。從 IBM個(gè)人電腦和兼容式電腦的時(shí)代開始，幾乎所有的計(jì)算機(jī)都配有一個(gè)或多個(gè)串行端口和一個(gè)并行端口。 本課題研究的主要內(nèi)容 （ 1）串行通信原理介紹； （ 2） USB技術(shù)原理分析； （ 3）單片機(jī)和 PC機(jī)通過 USB實(shí)現(xiàn)串行通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。而在現(xiàn)在的大多數(shù)筆記本電腦中，出于節(jié)省物理空間和用處不大等原因， RS232(DB9)串 口已不再設(shè)置，這就約束了基于 RS232(DB9)串口與 PC 機(jī)聯(lián)絡(luò)的單片機(jī)設(shè)備的使用范圍。串行通信的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位傳送，按位順序進(jìn)行，最少只需要一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度快，串行通信的距離可以從幾米到幾千米 。串行通信因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和過程控制等領(lǐng)域。 在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用 AT89C51， USB 轉(zhuǎn)接芯片 CH341； 軟件設(shè)計(jì)方面， PC 機(jī)采用 C 語(yǔ)言編程，單片機(jī)方面用中斷方式完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，程序開發(fā)采用匯編語(yǔ)言和 Keil C 語(yǔ)言。本設(shè)計(jì)主要介紹如何使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)與一臺(tái)單片機(jī)通過 USB接口實(shí)現(xiàn)串行通信。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)必須通過一個(gè)數(shù)據(jù)收集器傳給上位機(jī)，同樣上位機(jī)向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)命令也必須通過數(shù)據(jù)收集器。串行通信是指一條信息額各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通信方式。而隨著 USB接口技術(shù)的成熟和使用的普及，由于 USB 接口有著 RS232(DB9)串口無法比擬的優(yōu)點(diǎn)， RS232(DB9)串口正在逐步地為 USB 接口所替代。 因此研究如何實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與單片機(jī)通過 USB之間的通信具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 串行通信的設(shè)備是最古老的溝通機(jī)制之一。 提示：要使串行通信工作，你只需要一根三根線的電纜 —— 1根發(fā)送， 1根用來接收，1根接地。 圖 21 一些常見的串行設(shè)備，調(diào)制解調(diào)器，鼠標(biāo)和路由器 雖然今天的消費(fèi)產(chǎn)品中在串行連接的地方使用 USB 連接，但 還有很多的設(shè)備使用串行端口作為與外部世界的唯一連接。該數(shù)據(jù)位可以是五，六，七，或 8位，基于商定而定。波特率是數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)的傳輸速度。一個(gè)校驗(yàn)位可以是以下內(nèi)容：奇數(shù)，偶數(shù)， mark， space 或無（空的奇偶位標(biāo)志幾乎總是被使用）。大多數(shù)系列設(shè)備使用 9 針連接器。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。如果在任意時(shí)刻，線路上存在 A到 B和 B到 A的雙向信號(hào)傳輸，則稱為全雙工。 在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個(gè)站（如終端和微機(jī)）之間進(jìn)行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種基本的傳送方式：全雙工、半雙工、和單工。收 /發(fā)開關(guān)實(shí)際上是由軟件控制的電子開關(guān)。在實(shí)際使用時(shí)，一般并不需要通信雙方同時(shí)既發(fā)送又接收，像打印機(jī)這類的單向傳送設(shè)備，半雙工甚至單工就能勝任，也無需倒向。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時(shí)，需要 2根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信號(hào)（可能還需要控制線和狀態(tài)線，以及地線）。為了解決以上問題，串行傳輸可采 用以下兩種方法：異步傳輸和同步傳輸。停止位對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制值 1，以高電平表示，占用 1~2 位寬度。發(fā)送端與接收端除了采用相同的數(shù)據(jù)格式 (字符的位數(shù)、停止位的位數(shù)、有無校驗(yàn)位及校驗(yàn)方式等 )外，還應(yīng)當(dāng)采用相同的傳輸速率。它的缺點(diǎn)是通信開銷大，每傳輸一個(gè)字符都要額外附加 2～ 3位，通信效率比較低。所謂同步傳輸是指數(shù) 據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊之間的時(shí)間間隔是固定的，必須嚴(yán)格地規(guī)定它們的時(shí)間關(guān)系。這種技術(shù)在短距離傳輸時(shí)表現(xiàn)良好，但在長(zhǎng)距離傳輸中，定時(shí)脈沖可能會(huì)和信息信號(hào)一樣受到破壞，從而出現(xiàn)定時(shí)誤差。） 。 USB 設(shè)備 USB 設(shè)備包括 Hub 和功能設(shè)備，而功能設(shè)備又可以細(xì)分為定位設(shè)備字符設(shè)備等等。在 USB系統(tǒng)中，每一個(gè)端點(diǎn)都有唯一的地址，這是由設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)給出的。 端點(diǎn) 0通常為控制端點(diǎn)。一旦設(shè)備被配置，管道就存在了。 一個(gè) USB 設(shè)備可以分為三個(gè)層圖（如圖 31所示）。