【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線復(fù)位命令，端點(diǎn) 0 就是可訪問(wèn)的了。除缺省控制通道的缺省端點(diǎn)外，其他端點(diǎn)只有在設(shè)備被設(shè)置后才可使用。USB 通道USB 通道是設(shè)備上的端點(diǎn)和主機(jī)上的軟件之間的聯(lián)系，體現(xiàn)了主機(jī)上緩存和端點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)的能力。USB 有兩個(gè)不同且互斥的通道通信格式：? 流：指不具有 USB 定義的格式的數(shù)據(jù)流。? 消息：指具有某種 USB 定義的格式的數(shù)據(jù)流。USB 不解釋在通道中傳送的數(shù)據(jù)的內(nèi)容。消息通道要求數(shù)據(jù)組織成 USB 定義的格式，但它的內(nèi)容，USB 是不管的 USB 總線協(xié)議層 位定序數(shù)據(jù)位被發(fā)送到總線的時(shí)候，首先最低有效位，跟著是下一個(gè)最低有效位，最后是最高有效位 同步字段所有的包都是從同步字段開始的，同步字段是產(chǎn)生最大的邊緣轉(zhuǎn)換密度的編碼序列。同步字段作為空閑狀態(tài)出現(xiàn)在總線上，通過(guò)被定義為 8 位長(zhǎng)的二進(jìn)制串，輸入電路以本地時(shí)鐘對(duì)齊輸入數(shù)據(jù)。同步字段的最后 2 位是同步字段結(jié)束的記號(hào)，并且標(biāo)志了包標(biāo)識(shí)符的開始趙瓊：基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 包標(biāo)識(shí)符所有 USB 包的同步字段后都緊跟著包標(biāo)識(shí)符（PID） 。如圖 所示，PID 由 4 位的包類型字段和其后的 4 位的校驗(yàn)字段構(gòu)成。PID 指出了包的類型，并由此隱含地指出了包的格式和包上所用錯(cuò)誤檢測(cè)的類型。PID 的 4 位的校驗(yàn)字段可以保證 PID 譯碼的可靠性，這樣包的余項(xiàng)也就能被正確地解釋。PID 的校驗(yàn)字段通過(guò)求包類型字段的二進(jìn)制反碼產(chǎn)生。如果 4 個(gè) PID 檢驗(yàn)位不是它們的各自的包標(biāo)識(shí)符位的補(bǔ)，則說(shuō)明存在PID 錯(cuò)。（LSb ） （MSb） PID0 PID1 PID2 PID3 PID0 PID1 PID2 PID3 USB 的傳輸結(jié)構(gòu)USB 的傳輸結(jié)構(gòu)描述的是各個(gè)類型 USB 傳輸?shù)臅r(shí)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(shí)對(duì)器件進(jìn)行配置，以及對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，還有在設(shè)備配置完成后用于特殊傳輸目的。端點(diǎn) 0 只可以采用控制傳送的方式。每一個(gè)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 所示：S E T U PA C KD A T A 0空閑標(biāo)記數(shù)據(jù)握手空閑主機(jī)功能部件圖 控制傳輸結(jié)構(gòu)示意圖安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 7 控制傳送的數(shù)據(jù)階段，由一個(gè)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(xiàng)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(guò)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(gè)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(gè)或者多個(gè)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(gè)管道。批量傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑A C KN A K S T A L L握手?jǐn)?shù)據(jù)出錯(cuò)數(shù)據(jù)出錯(cuò)主機(jī) 功能部件圖 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(diǎn)式、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場(chǎng)合。中斷傳輸必須在指定的時(shí)間內(nèi)完成，它一般應(yīng)用于鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿等 HID（Human Interface Device）類設(shè)備以及集線器的狀態(tài)報(bào)表中。中斷傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：趙瓊：基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑A C KN A K S T A L L握手?jǐn)?shù)據(jù)出錯(cuò)數(shù)據(jù)出錯(cuò)主機(jī) 功能部件圖 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(gè)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(shí)間的傳輸。同步傳輸沒(méi)有聯(lián)絡(luò)階段，所以不能保證傳輸?shù)耐耆煽啃?。同步傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：I N O U TD A T A 0 / D A T A 0標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑空閑圖 同步傳輸結(jié)構(gòu)示意圖 USB 總線枚舉過(guò)程USB 規(guī)范定義的設(shè)備狀態(tài)總共有 6 個(gè)，分別是連接（Attached） 、上電（Powered） 、默認(rèn)（Default ） 、地址（Address） 、配置（Configured）和掛起（Suspend） 。USB 總線安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 9 枚舉過(guò)程中，USB 設(shè)備需要經(jīng)歷后 4 種狀態(tài)。USB 集線器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備的連接情況，而 USB 主機(jī)會(huì)通過(guò)集線器輪詢地查詢?cè)O(shè)備。當(dāng)主機(jī)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的設(shè)備時(shí)，會(huì)要求集線器建立與設(shè)備的通信通道，即設(shè)備的端點(diǎn) 0，控制傳輸端點(diǎn)。之后，主機(jī)會(huì)通過(guò)此通道向設(shè)備發(fā)送一系列的標(biāo)準(zhǔn) USB 請(qǐng)求以獲取所需的信息，設(shè)備必須響應(yīng)這些請(qǐng)求并且采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。這個(gè)過(guò)程即稱為 USB 的總線枚舉?？偩€枚舉的過(guò)程如下：① 設(shè)備連接USB 設(shè)備通過(guò) USB 總線與主機(jī)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(jī)檢測(cè)到設(shè)備，進(jìn)行復(fù)位設(shè)備連接到總線后，主機(jī)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備在差分信號(hào)線的上拉電阻檢測(cè)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(jī)確認(rèn)有設(shè)備連接后，向該端口發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)。④ 設(shè)備默認(rèn)狀態(tài)設(shè)備收到一個(gè)復(fù)位信號(hào)后，連接到主機(jī)的所有設(shè)備的地址為默認(rèn)地址（00H ） ，主機(jī)會(huì)首先發(fā)送一個(gè)獲取設(shè)備描述符的請(qǐng)求，設(shè)備通過(guò)這個(gè)默認(rèn)地址向主機(jī)發(fā)送第一次設(shè)備描述符。⑤ 地址分配當(dāng)主機(jī)接收到有設(shè)備對(duì)默認(rèn)地址（00H）來(lái)響應(yīng)的時(shí)候，就確認(rèn)有設(shè)備連接，主機(jī)對(duì)設(shè)備分配一個(gè)空閑的地址（如 02H） ，以后設(shè)備就只對(duì) 02H 地址進(jìn)行響應(yīng)。⑥ 讀取 USB 設(shè)備描述符主機(jī)分配給設(shè)備地址后，通過(guò)這個(gè)地址主機(jī)讀取該設(shè)備描述符，確認(rèn) USB 設(shè)備的屬性。⑦ 設(shè)備配置主機(jī)依照讀取的 USB 設(shè)備描述符來(lái)進(jìn)行配置，如果設(shè)備所需的 USB 資源得以滿足，主機(jī)就會(huì)查找驅(qū)動(dòng)，當(dāng)正確找到驅(qū)動(dòng)后，主機(jī)給設(shè)備發(fā)送配置命令，配置完畢后，這個(gè) USB 設(shè)備就枚舉成功了。⑧ 掛起為了節(jié)省電源，當(dāng)總線保持空閑狀態(tài)超過(guò)3ms以后，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)進(jìn)入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)時(shí)，設(shè)備的消耗電流不超過(guò)500181。A 。當(dāng)被掛起時(shí)，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)趙瓊：基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 USB 的設(shè)備描述符標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)（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(jí)來(lái)表示設(shè)備的屬性。設(shè)備描述符包含了整個(gè)設(shè)備的信息以及設(shè)備支持的配置號(hào)碼，每一個(gè)設(shè)備只能由一個(gè)設(shè)備描述符。但每一個(gè)設(shè)備可以有幾個(gè)配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號(hào)碼。接口描述符包含了與端點(diǎn)通信所需要的信息，它可以有零個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符。各個(gè)描述符的樹狀結(jié)構(gòu)如圖 所示：設(shè)備描述符配置描述符 配置描述符 配置描述符接口描述符 接口描述符端點(diǎn)描述符接口描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符圖 描述符的樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)備描述符描述了一個(gè) USB 設(shè)備的總體信息，它在枚舉過(guò)程中主機(jī)從設(shè)備讀取的第一個(gè)描述符。設(shè)備描述符總共有 18 個(gè)字節(jié)，分為 14 個(gè)字段。配置、接口以及端點(diǎn)描述符是在主機(jī)得到設(shè)備描述符之后發(fā)送給主機(jī)的。配置描述符描述了一個(gè)特定的設(shè)備配置信息，主機(jī)使用 Set_Configuration 請(qǐng)求來(lái)選擇一個(gè)配置，用 Get_Configuration 請(qǐng)求來(lái)返回一個(gè)配置。當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求獲取一個(gè)配置描述符的時(shí)候，與配置描述符相關(guān)的所有接口、端點(diǎn)描述符都會(huì)一并返回。配置描述符由 9 個(gè)字節(jié)組成，分為 8 個(gè)字段。接口描述符描述了一個(gè)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(jī)不能通過(guò) Get_Descriptor 請(qǐng)求直接獲取接口描述符。接口描述符由 9個(gè)字節(jié)組成，分為 9 個(gè)字段。端點(diǎn)描述符包含了主機(jī)用來(lái)確定一個(gè)端點(diǎn)帶寬要求的信息。除了端點(diǎn) 0 外，一個(gè)接口所使用的每一個(gè)端點(diǎn)都有它自己的描述符。端點(diǎn) 0 不需要描述符，它也不能直接由 Get_Descriptor 請(qǐng)求來(lái)獲得。端點(diǎn)描述符由 7 個(gè)字節(jié)組成，分為 6 個(gè)字段。安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 11 USB 請(qǐng)求USB 規(guī)范定義了 3 種請(qǐng)求，分別是標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求（Standard Request） 、類請(qǐng)求（Class Request）和廠商請(qǐng)求（Vendor Request） 。USB 規(guī)范定義了 11 種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，所有設(shè)備都必須對(duì)這 11 種請(qǐng)求作出響應(yīng)，即使當(dāng)主機(jī)沒(méi)有給設(shè)備分配一個(gè)地址或者沒(méi)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(qǐng)求，稱為類請(qǐng)求。但是只有類請(qǐng)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(gè)供應(yīng)商為它的設(shè)備自定義特殊的請(qǐng)求，此類請(qǐng)求稱為廠商請(qǐng)求。所有的 USB 總線設(shè)備以缺省控制管道響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求，這些請(qǐng)求是通過(guò)控制傳輸來(lái)完成的，請(qǐng)求及請(qǐng)求的參數(shù)通過(guò) Setup 包發(fā)向設(shè)備，由主機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置 Setup 包內(nèi)的每個(gè)域的值。Setup 包格式如表 所示。表 SETUP 包格式大小（ B）1 1 2 2 2域 bmRequestTypebRequest wValue wIndex wLength在表 中，bmRequestType 表示設(shè)備請(qǐng)求類型，D7 ：數(shù)據(jù)傳輸方向， 0＝主機(jī)到設(shè)備，1＝設(shè)備到主機(jī)；D6…5：類型， 0＝標(biāo)準(zhǔn)，1＝類型，2＝廠商，3＝保留；D4…0：接收方，0＝設(shè)備，1＝接口，2＝端點(diǎn)， 3＝其它；4…31＝保留。bRequest 表示 USB 設(shè)備請(qǐng)求值，標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求有 11 個(gè)命令。wValue 為值，它根據(jù)不同的請(qǐng)求，以字節(jié)來(lái)定義，例如，設(shè)備請(qǐng)求為 Get Descriptor(06H)，wValue 為 01H 時(shí)，表明要發(fā)送設(shè)備描述符。wLength 表示長(zhǎng)度，如果傳輸?shù)氖且唤M數(shù)據(jù)，則這個(gè)長(zhǎng)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(hào)，USB 的傳輸結(jié)構(gòu)，USB 的總線枚舉過(guò)程，USB 的設(shè)備描述符以及USB 請(qǐng)求。本章為本設(shè)計(jì)下面內(nèi)容的展開奠定了基礎(chǔ)。趙瓊：基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于 USB 總線的實(shí)時(shí)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(jī)、USB 接口芯片，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 8 路數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖 所示。主要包括 5 個(gè)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(fù)位電路完成對(duì) MCU 的上電復(fù)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(jī)間的通信電路采用 USB 接口。單片機(jī)通過(guò)８位并行接口傳送經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 FIFO 存儲(chǔ)器中。一旦存滿，串行接口引擎 SIE 立刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括同步模式識(shí)別、并／串轉(zhuǎn)換、位填充/不填充、CRC 校驗(yàn)、PID 確認(rèn)、地址識(shí)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(guò) D+、D 發(fā)送至 PC。上述過(guò)程遵循 協(xié)議。MCUU S B接口芯片P C機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器多路模擬開關(guān)圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖 芯片選擇 ADC0809ADC0809允許的最大時(shí)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(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B ，C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通 IN0－IN7上的一路模擬量輸入。 ADC0809對(duì)輸入模擬量要求信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)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。 ：安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 13 E O CD 0D 1D 2D 3D 5D 6D 78路模擬量開關(guān)地址鎖存與譯碼器8 路A / D轉(zhuǎn)換器S T C L K