【文章內(nèi)容簡介】 NDP），四位，由此可知一個 USB設(shè)備端點數(shù)量最大為 16個。 幀號域（ FRAM）， 11位，每一個幀都有一個特定的 幀號，幀號域最大容量 0x800。 數(shù)據(jù)域（ DATA），長度為 0～ 1023字節(jié)，不同傳輸 類型數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為字節(jié)的整數(shù)倍。 校驗域（ CRC），對令牌包和數(shù)據(jù)包中非 PID域進(jìn)行校驗。 返 回 上 頁 下 頁 包：由域構(gòu)成，是 USB傳輸?shù)幕締挝?，單向傳送，從主機發(fā)出或發(fā)回給主機。 USB總線完成一次傳輸至少需要 3個包。包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包。數(shù)據(jù)交換時，首先由主機發(fā)出令牌包，然后數(shù)據(jù)源向數(shù)據(jù)目的發(fā)送數(shù)據(jù)包或無數(shù)據(jù)傳送的指示信息。最后數(shù)據(jù)接收方向發(fā)送方發(fā)送握手包，提供數(shù)據(jù)是否正常發(fā)送出去的反饋信息，如果有錯將重發(fā)。不同的包其域結(jié)構(gòu)不同。不同目標(biāo)的包可組合在一起共享總線，不占用系統(tǒng)中斷和輸入 /輸出地址空間，節(jié)約系統(tǒng)資源。 （ 2）包 返 回 上 頁 下 頁 ?令牌包 (token)：所有交換都以令牌包為首部，定 義了要傳輸交換的類型。有輸入包、 輸出包、設(shè)置包和幀起始包四種類 型。輸入包用于設(shè)置輸入命令，輸出 包用于設(shè)置輸出命令。令牌包的格式 如表所示。 SYNC（ 8位） PID（ 8位） ADDR（ 7位） ENDP（ 4位） CRC（ 5位） 返 回 上 頁 下 頁 ?數(shù)據(jù)包 (data)：若主機請求設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)則送輸入 令牌包到設(shè)備某一端點，設(shè)備以數(shù)據(jù)包形式加以 響應(yīng)。若主機請求目標(biāo)設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則送輸出 數(shù)據(jù)包到目標(biāo)設(shè)備的某一端點，設(shè)備將接收數(shù)據(jù) 包。數(shù)據(jù)包有 DATA0包和 DATA1包兩種形式， USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當(dāng)一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大 于相應(yīng)端點的容量時，把數(shù)據(jù)包分為幾個包，分 批發(fā)送， DATA0包和 DATA1包交替發(fā)送，在同步 傳輸時所有的數(shù)據(jù)包都為 DATA0。 數(shù)據(jù)包的格式 如表所示。 SYNC（ 8位） PID（ 8位） DATA（ 0～ 0023位） CRC（ 5位） 返 回 上 頁 下 頁 ● 握手包 (handshake)：設(shè)備使用握手包報告交換 的狀態(tài)，由數(shù)據(jù)的接收方發(fā)送到數(shù)據(jù)的發(fā)送 方。握手包有應(yīng)答包、無應(yīng)答包、掛起包、 和接收設(shè)備還沒有響應(yīng)包 4種類型，不同類型 的握手包傳送不同的狀態(tài)結(jié)果。表所示為握 手包格式 SYNC（ 8位） PID（ 8位） ?特殊包（ special）：當(dāng)主機希望在低速方式下與 低速設(shè)備通信時，主機將送預(yù)告包作為開 始包，然后與低速設(shè)備通信。 返 回 上 頁 下 頁 事務(wù) (transactions)：按照事務(wù)的目的和數(shù)據(jù)流 方向可以分為設(shè)置（ SETUP）事務(wù)、輸入（ IN）事 務(wù)和輸出（ OUT）事務(wù)三種類型， IN事務(wù)是從一個 設(shè)備接收數(shù)據(jù)， OUT事務(wù)和 SETUP事務(wù)是主機發(fā)送 數(shù)據(jù)給某個設(shè)備。它們都由一個令牌階段，一個數(shù) 據(jù)階段和一個握手階段組成。用“階段”的意思是因 為這些包的發(fā)送有一定的時間先后順序。在令牌包 階段啟動一個輸入、輸出或設(shè)置事務(wù)；數(shù)據(jù)包階段 按輸入、輸出發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)；握手包階段返回數(shù) 據(jù)接收情況，只有控制傳輸可以使用 SETUP事務(wù)。 在同步傳輸?shù)?IN和 OUT事務(wù)中沒有握手包階段。 （ 3）事務(wù) (transactions) 返 回 上 頁 下 頁 傳輸 (transfers)：傳輸由事務(wù)構(gòu)成，有中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸?shù)人姆N傳輸類型。其中中斷傳輸和批量轉(zhuǎn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同步傳輸結(jié)構(gòu)最簡單，控制傳輸是最復(fù)雜也是最重要的傳輸 （ 4）傳輸 (transfers) ● 中斷傳輸 中斷傳輸由 OUT事務(wù)和 IN事務(wù)構(gòu)成，用于數(shù)據(jù)量少但 數(shù)據(jù)需要及時處理的情況。適合低速設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸， 如鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備。 USB的中斷是查詢 （ polling）類型，主機需頻繁的請求端點輸入。 返 回 上 頁 下 頁 ● 批量傳輸 批量傳輸由 OUT事務(wù)和 IN事務(wù)構(gòu)成，用于傳輸連續(xù)的、批量的、非實時的、要求正確無誤的數(shù)據(jù)。沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當(dāng)總線忙時，USB會優(yōu)先進(jìn)行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，暫時停止批量轉(zhuǎn)輸。如打印機、掃描儀等以此種方式與主機進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸。在硬件中有差錯檢測功能，并且有選擇的進(jìn)行一定的硬件重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。 返 回 上 頁 下 頁 ● 同步傳輸 同步傳輸由 OUT事務(wù)和 IN事務(wù)構(gòu)成，適于傳輸連續(xù)的、實時的、對正確性要求不高而對時間敏感的數(shù)據(jù)。如電話、麥克風(fēng)等外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。該方式以固定的傳輸速率連續(xù)不斷地在主機與USB設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過程中發(fā)生錯誤時，不進(jìn)行處理，繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。 返 回 上 頁 下 頁 ● 控制傳輸方式 控制傳輸用于處理主機到 USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，包括對 USB設(shè)備的控制命令、設(shè)備狀態(tài)查詢和確認(rèn)命令，也可用于傳送用戶自定義的命令。當(dāng)USB設(shè)備收到數(shù)據(jù)和命令后，將依據(jù)先進(jìn)先出的原則處理到達(dá)的數(shù)據(jù)，使主機識別設(shè)備，安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序。這種傳輸方式不會丟失數(shù)據(jù)。 返 回 上 頁 下 頁 USB總線的通信流 USB通信可以分為配置通信和應(yīng)用通信。在配置通信中，主機通知設(shè)備，使設(shè)備準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)，這類通信主要發(fā)生在上電或連接時主機檢測到外設(shè)的時候。應(yīng)用通信出現(xiàn)在主機的應(yīng)用程序與一個檢測到的外設(shè)交換數(shù)據(jù)的時候，是實現(xiàn)設(shè)備目的的通信。例如：對鍵盤來說，應(yīng)用通信是發(fā)送按鍵數(shù)據(jù)給主機，告訴一個應(yīng)用程序顯示一個特性或執(zhí)行某種動作。主機上的軟件通過一系列的通信流與邏輯設(shè)備進(jìn)行通信。 返 回 上 頁 下 頁 （ 1）設(shè)備端點 每個 USB設(shè)備內(nèi)有一個或多個邏輯連接點，稱為端點 (Endpoint)，端點是 USB系統(tǒng)用來交換數(shù)據(jù)的特定邏輯地址，每個端點都有自己的特性和用途，對主機來說不同的端點實際上就是對應(yīng)的不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；對設(shè)備來說不同的端點對應(yīng)不同的硬件電路，每個端點在設(shè)備出廠時已定義好。主機只能通過端點與設(shè)備進(jìn)行通訊。在 USB協(xié)議規(guī)范中用 4位地址標(biāo)識端點地址，每一個端點都有唯一的地址，每個設(shè)備最多有 16個端點。每個端點都有一定的特性，包括端點號、傳輸方式、總線訪問頻率、帶寬、數(shù)據(jù)包的最大容量等等。每個端點指定一種傳輸類型。所有設(shè)備都有一個端點 0，通常為控制端點，用于配置和控制各設(shè)備。其他端點在設(shè)備配置后才能生效。 返 回 上 頁 下 頁 （ 2）管道 管道（ Pipe）是 USB系統(tǒng)通信驅(qū)動程序和端點組成的通信通道，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為通信流，可實現(xiàn)主機的一個內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸。主機 USB系統(tǒng)軟件和設(shè)備的端點 0之間的連接稱為缺省管道（默認(rèn)管道）。管道只有主機和設(shè)備連接配置生效后才能形成。管道的序列號是主機臨時給定的，當(dāng)設(shè)備從主機移去時管道同時取消。 返 回 上 頁 下 頁 管道分為流管道 (Stream Pipe)和消息管道(Message Pipe)。流管道在傳輸數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)分組沒有結(jié)構(gòu)要求，數(shù)據(jù)在管道中以順序（先進(jìn)先出）方式單向傳輸，支持批量、同步和中斷傳輸方式。消息管道通常以雙向方式與端點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信流具有一定的結(jié)構(gòu)，以便命令可靠地被識別和傳輸。傳輸時由主機向 USB設(shè)備發(fā)出請求，然后在適當(dāng)?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，端點在后來的某個時刻返回一個狀態(tài)作為響應(yīng)。缺省管道總是消息管道。消息管道支持控制傳輸類型。通信流的示意圖如圖所示。 返 回 上 頁 下 頁 USB接口工作過程 USB設(shè)備可以即插即用，但在使用之前必須對設(shè)備進(jìn)行配置，一旦設(shè)備連接到某一個 USB的端口上，USB就會產(chǎn)生一系列的操作來完成對設(shè)備的配置，這種操作被稱為總線枚舉（ enumeration）過程。只有枚舉成功了，接口才能正常工作。 USB的基本工作過程如下： ① USB設(shè)備接入主機后（無源設(shè)備插入主機或有源 設(shè)備重新供電），主機通過檢測信號線上的電平 變化發(fā)現(xiàn)設(shè)備的接入； ②主機通過詢問設(shè)備獲取確切的信息； ③主機得知設(shè)備連接到哪個端口上并向這個端口發(fā) 出復(fù)位命令； 返 回 上 頁 下 頁 ④ 設(shè)備上電，所有的寄存器復(fù)位并且以缺省地址 0以及 端點 0響應(yīng)命令； ⑤主機通過缺省地址與端點 0進(jìn)行通訊并賦予設(shè)備空閑 的地址，以后設(shè)備對該地址進(jìn)行響應(yīng)； ⑥主機讀取設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)設(shè)備的屬性； ⑦主機依照讀取的 USB狀態(tài)進(jìn)行配置，如果設(shè)備所需 的 USB資源得以滿足，就發(fā)送配置命令給設(shè)備，該 設(shè)備就可以使用了，枚舉過程結(jié)束； ⑧當(dāng)通信任務(wù)完成后，該設(shè)備被移走時（無源設(shè)備拔 出主機端口或有源設(shè)備斷電），設(shè)備向主機報告， 主機關(guān)閉端口釋放相應(yīng)資源。 返 回 上 頁 下 頁 基于 USB接口的諸多優(yōu)點，越來越多的智能儀器系統(tǒng)需要設(shè)置 USB接口。目前已有微處理器廠商推出具有 USB接口的產(chǎn)品，如 Silabs公司的C8051F360/1帶有一個 USB口，這類產(chǎn)品只要按照其使用手冊編程即可實現(xiàn) USB接口功能。對于不具備 USB口的微處理器可通過專用芯片實現(xiàn)其 USB接口功能。有多家公司不斷推出 USB接口專用芯片，如 Philips公司的 PDIUSBD1 PDIUSBD12，NetChip的 NET288， NS公司的 USBN9603/9604等。 返 回 上 頁 下 頁 現(xiàn)場總線 隨著計算機功能的不斷增強，價格急劇降低，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，過去二十年中，計算機和通信的年增長率不低于 25%，是計算機集成制造系統(tǒng)的實施具備了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。但處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，要與外界交換信息。要實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能夠在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)場自動化智能設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的。 返 回 上 頁 下 頁 傳輸信號數(shù)字化是實現(xiàn)數(shù)字通信的基礎(chǔ)。 1983年，Honeywell推出了智能化儀表，使現(xiàn)場與控制室之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。自此以后的幾十年間，世界上各大公司都相繼推出了各有特色的智能儀表。這些模擬數(shù)字混合儀表克服了單一模擬儀表的多種缺陷，給自動化儀表的發(fā)展帶來了新的生機，為現(xiàn)場總線的誕生奠定了基礎(chǔ)。但這種數(shù)字模擬信號混合運行方式只是一種不得已的過渡狀態(tài)，其系統(tǒng)或設(shè)備間只能按模擬信號方式一對一地布線，難以實現(xiàn)智能儀表之間的信息交換，智能儀表能處理多個信息和復(fù)雜計算的優(yōu)越性難以充分發(fā)揮。 返 回 上 頁 下 頁 這些以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表，為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，嚴(yán)重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。從用戶到設(shè)備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，組成開放互連網(wǎng)絡(luò)。把不同廠商提供的自動化設(shè)備互連為系統(tǒng)。這里的開放意味著對同一標(biāo)準(zhǔn)的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可互連為一致通信系統(tǒng)。從這個意義上說，現(xiàn)場總線就是工廠自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。開發(fā)這項技術(shù)首先必須制定相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 返 回 上 頁 下 頁 1984年，美國儀表協(xié)會（ ISA）下屬的標(biāo)準(zhǔn)與實施工作組中的 ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)； 1985年，國際電工委員會決定由 Proway Working Group負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作； 1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（ Process Fieldbus）標(biāo)準(zhǔn)，簡稱為 PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。 返 回 上 頁 下 頁 Siemens,Rocemount,ABB,Foxboro,Yokogawa等 80家公司聯(lián)合，成立了 ISP（ Interoperable System Protocol）組織，著手在 PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。 1993年，以