【文章內容簡介】 NDP），四位，由此可知一個 USB設備端點數(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)據域（ DATA），長度為 0～ 1023字節(jié)，不同傳輸 類型數(shù)據域的長度各不相同，但必須為字節(jié)的整數(shù)倍。 校驗域（ CRC），對令牌包和數(shù)據包中非 PID域進行校驗。 返 回 上 頁 下 頁 包：由域構成，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)據包、握手包和特殊包。數(shù)據交換時，首先由主機發(fā)出令牌包，然后數(shù)據源向數(shù)據目的發(fā)送數(shù)據包或無數(shù)據傳送的指示信息。最后數(shù)據接收方向發(fā)送方發(fā)送握手包，提供數(shù)據是否正常發(fā)送出去的反饋信息，如果有錯將重發(fā)。不同的包其域結構不同。不同目標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、設置包和幀起始包四種類 型。輸入包用于設置輸入命令，輸出 包用于設置輸出命令。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)據包 (data)：若主機請求設備發(fā)送數(shù)據則送輸入 令牌包到設備某一端點，設備以數(shù)據包形式加以 響應。若主機請求目標設備接收數(shù)據，則送輸出 數(shù)據包到目標設備的某一端點，設備將接收數(shù)據 包。數(shù)據包有 DATA0包和 DATA1包兩種形式， USB發(fā)送數(shù)據的時候，當一次發(fā)送的數(shù)據長度大 于相應端點的容量時，把數(shù)據包分為幾個包，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)據包都為 DATA0。 數(shù)據包的格式 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)：設備使用握手包報告交換 的狀態(tài)，由數(shù)據的接收方發(fā)送到數(shù)據的發(fā)送 方。握手包有應答包、無應答包、掛起包、 和接收設備還沒有響應包 4種類型，不同類型 的握手包傳送不同的狀態(tài)結果。表所示為握 手包格式 SYNC（ 8位） PID（ 8位） ?特殊包（ special）：當主機希望在低速方式下與 低速設備通信時，主機將送預告包作為開 始包，然后與低速設備通信。 返 回 上 頁 下 頁 事務 (transactions)：按照事務的目的和數(shù)據流 方向可以分為設置（ SETUP）事務、輸入（ IN）事 務和輸出（ OUT）事務三種類型， IN事務是從一個 設備接收數(shù)據， OUT事務和 SETUP事務是主機發(fā)送 數(shù)據給某個設備。它們都由一個令牌階段，一個數(shù) 據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、輸出或設置事務；數(shù)據包階段 按輸入、輸出發(fā)送相應的數(shù)據；握手包階段返回數(shù) 據接收情況，只有控制傳輸可以使用 SETUP事務。 在同步傳輸?shù)?IN和 OUT事務中沒有握手包階段。 （ 3）事務 (transactions) 返 回 上 頁 下 頁 傳輸 (transfers)：傳輸由事務構成，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輸?shù)慕Y構一樣，同步傳輸結構最簡單，控制傳輸是最復雜也是最重要的傳輸 （ 4）傳輸 (transfers) ● 中斷傳輸 中斷傳輸由 OUT事務和 IN事務構成，用于數(shù)據量少但 數(shù)據需要及時處理的情況。適合低速設備數(shù)據傳輸， 如鍵盤、鼠標等外部設備。 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事務和 IN事務構成，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。沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數(shù)據傳輸，暫時停止批量轉輸。如打印機、掃描儀等以此種方式與主機進行大量數(shù)據的傳輸。在硬件中有差錯檢測功能，并且有選擇的進行一定的硬件重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據的可靠交換。 返 回 上 頁 下 頁 ● 同步傳輸 同步傳輸由 OUT事務和 IN事務構成，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。如電話、麥克風等外部設備的數(shù)據傳輸。該方式以固定的傳輸速率連續(xù)不斷地在主機與USB設備之間傳輸數(shù)據，傳輸過程中發(fā)生錯誤時，不進行處理，繼續(xù)傳輸數(shù)據。 返 回 上 頁 下 頁 ● 控制傳輸方式 控制傳輸用于處理主機到 USB設備的數(shù)據傳輸，包括對 USB設備的控制命令、設備狀態(tài)查詢和確認命令，也可用于傳送用戶自定義的命令。當USB設備收到數(shù)據和命令后，將依據先進先出的原則處理到達的數(shù)據，使主機識別設備，安裝相應的驅動程序。這種傳輸方式不會丟失數(shù)據。 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用通信。在配置通信中，主機通知設備，使設備準備好交換數(shù)據，這類通信主要發(fā)生在上電或連接時主機檢測到外設的時候。應用通信出現(xiàn)在主機的應用程序與一個檢測到的外設交換數(shù)據的時候，是實現(xiàn)設備目的的通信。例如：對鍵盤來說，應用通信是發(fā)送按鍵數(shù)據給主機，告訴一個應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備進行通信。 返 回 上 頁 下 頁 （ 1）設備端點 每個 USB設備內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的不同的數(shù)據緩沖區(qū)；對設備來說不同的端點對應不同的硬件電路，每個端點在設備出廠時已定義好。主機只能通過端點與設備進行通訊。在 USB協(xié)議規(guī)范中用 4位地址標識端點地址，每一個端點都有唯一的地址，每個設備最多有 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)據包的最大容量等等。每個端點指定一種傳輸類型。所有設備都有一個端點 0，通常為控制端點，用于配置和控制各設備。其他端點在設備配置后才能生效。 返 回 上 頁 下 頁 （ 2）管道 管道（ Pipe）是 USB系統(tǒng)通信驅動程序和端點組成的通信通道，其中傳輸?shù)臄?shù)據稱為通信流，可實現(xiàn)主機的一個內存緩沖區(qū)和設備的端點之間的數(shù)據傳輸。主機 USB系統(tǒng)軟件和設備的端點 0之間的連接稱為缺省管道（默認管道）。管道只有主機和設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，當設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)據時對數(shù)據分組沒有結構要求，數(shù)據在管道中以順序（先進先出）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行數(shù)據傳輸，通信流具有一定的結構，以便命令可靠地被識別和傳輸。傳輸時由主機向 USB設備發(fā)出請求，然后在適當?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據，端點在后來的某個時刻返回一個狀態(tài)作為響應。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設備可以即插即用，但在使用之前必須對設備進行配置，一旦設備連接到某一個 USB的端口上，USB就會產生一系列的操作來完成對設備的配置，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設備接入主機后（無源設備插入主機或有源 設備重新供電），主機通過檢測信號線上的電平 變化發(fā)現(xiàn)設備的接入； ②主機通過詢問設備獲取確切的信息； ③主機得知設備連接到哪個端口上并向這個端口發(fā) 出復位命令； 返 回 上 頁 下 頁 ④ 設備上電，所有的寄存器復位并且以缺省地址 0以及 端點 0響應命令； ⑤主機通過缺省地址與端點 0進行通訊并賦予設備空閑 的地址，以后設備對該地址進行響應； ⑥主機讀取設備狀態(tài)確認設備的屬性； ⑦主機依照讀取的 USB狀態(tài)進行配置，如果設備所需 的 USB資源得以滿足，就發(fā)送配置命令給設備，該 設備就可以使用了，枚舉過程結束； ⑧當通信任務完成后，該設備被移走時（無源設備拔 出主機端口或有源設備斷電），設備向主機報告， 主機關閉端口釋放相應資源。 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)需要設置 USB接口。目前已有微處理器廠商推出具有 USB接口的產品，如 Silabs公司的C8051F360/1帶有一個 USB口，這類產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，計算機與計算機網絡系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。據統(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基礎。但處于企業(yè)生產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)整個生產過程的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設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)場自動化智能設備之間的多點數(shù)字通信，形成工廠底層網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產現(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。 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。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的各種智能儀表，為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實現(xiàn)復雜的應用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設備之間的通信標準不統(tǒng)一，嚴重束縛了工廠底層網絡的發(fā)展。從用戶到設備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標準，組成開放互連網絡。把不同廠商提供的自動化設備互連為系統(tǒng)。這里的開放意味著對同一標準的共同遵從，意味著這些來自不同廠商而遵從相同標準的設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域的開放互連系統(tǒng)。開發(fā)這項技術首先必須制定相應的統(tǒng)一標準。 返 回 上 頁 下 頁 1984年，美國儀表協(xié)會（ ISA）下屬的標準與實施工作組中的 ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準； 1985年，國際電工委員會決定由 Proway Working Group負責現(xiàn)場總線體系結構與標準的研究制定工作； 1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（ Process Fieldbus）標準，簡稱為 PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產品開發(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的基礎上制定現(xiàn)場總線標準。 1993年，以