【正文】 127個外部設(shè)備，并且不會損失帶寬。從1994年11月11日發(fā)表了USB ，USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，成為目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。3 USB通信原理簡介 USB簡介USB是英文Universal Serial BUS的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。這種技術(shù)在短距離傳輸時表現(xiàn)良好，但在長距離傳輸中，定時脈沖可能會和信息信號一樣受到破壞，從而出現(xiàn)定時誤差。為了保證接收端能夠正確地區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流中的每個數(shù)據(jù)位，收發(fā)雙主必須通過某種方法建立起同步的時鐘。所謂同步傳輸是指數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊之間的時間間隔是固定的，必須嚴(yán)格地規(guī)定它們的時間關(guān)系。通常，同步傳輸是以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位。例如，在使用Modem上網(wǎng)時，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)。例如，計算機(jī)與Modem之間的通信就是采用這種方式。典型的速率有：9600 b/s、56kb/s等。此外，還要附加1位奇偶校驗(yàn)位，可以選擇奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)方式對該字符實(shí)施簡單的差錯控制。一個字符占用 5~8位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。起始位對應(yīng)于二進(jìn)制值0，以低電平表示，占用1位寬度。通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位，每個字符都要附加1位起始位和1位停止位，以標(biāo)記一個字符的開始和結(jié)束，并以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。接收端和發(fā)送端必須保持步調(diào)一致，否則數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)差錯。圖25全雙工串行傳輸中，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)送和接收都需要時鐘來控制。全雙工方式無需進(jìn)行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應(yīng)用（例如遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。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，通信雙方都能在同一時刻進(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。目前多數(shù)終端和串行接口都為半雙工方式提供了換向能力，也為全雙工方式提供了兩條獨(dú)立的引腳。圖24半雙工方式當(dāng)計算機(jī)主機(jī)用串行接口連接顯示終端時，在半雙工方式中，輸入過程和輸出過程使用同一通路。采用半雙工方式時，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器，通過收/發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)接到通信線上，進(jìn)行方向的切換，因此，會產(chǎn)生時間延遲。但單工目前已很少采用，下面僅介紹前兩種方式。雙工信道有時也將收、發(fā)信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號，如回線傳輸。電話線就是二線全雙工信道。如果在任意時刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。計算機(jī)或PLC各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。圖22 25針和9針串行接口在計算機(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。大多數(shù)串行端口使用RS232C標(biāo)準(zhǔn),它指定了一個連接器25針或9針(見圖22)。使用校驗(yàn)位提供了一個基本的機(jī)制，以檢測已發(fā)送數(shù)據(jù)損壞，但不保證檢查數(shù)據(jù)本身的錯誤。為了檢測數(shù)據(jù)已被正確發(fā)送，一個可選的校驗(yàn)位可以同數(shù)據(jù)位在一起。波特率通常以每秒的位數(shù)（bps）來計量。一個停止位可以是一位，一個半位，或兩位。兩個發(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。開始傳輸時，設(shè)備先發(fā)送一個起始位，其次是數(shù)據(jù)位。一個串行設(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間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，被稱為全雙工設(shè)備。圖21顯示了使用串行口連接到計算機(jī)的設(shè)備。對于并行通信，你需要采用8條導(dǎo)線。相反，一個并行端口一次發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)，使用8個單獨(dú)的線路。從IBM個人電腦和兼容式電腦的時代開始，幾乎所有的計算機(jī)都配有一個或多個串行端口和一個并行端口。2 串行通信基礎(chǔ) 串口通信的基本知識微機(jī)的信息交換有兩種方式進(jìn)行：串行通信方式和并行通信方式。 本課題研究的主要內(nèi)容 本文研究的內(nèi)容共分為五個章節(jié)，第一章介紹本課題的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第二章介紹串行通信的基本原理；第三章介紹具體USB通信原理；第四章介紹PC機(jī)和USB通信的設(shè)計，包括兩個方面：（1）硬件設(shè)計：單片機(jī)及外圍電路設(shè)計；（2）軟件設(shè)計：單片機(jī)的通信控制程序， PC機(jī)的通信程序。串行外圍設(shè)備接口SPI是一種同步串行接口，因其硬件功能強(qiáng)，與SPI有關(guān)的軟件就相當(dāng)簡單，可使MSP430單片機(jī)有更多的時間處理其他任務(wù)。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASH,實(shí)時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI是英語Serial Peripheral Interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口[15]。USB數(shù)據(jù)線由兩對線組成，一對電力線，通過電力線可以為USB設(shè)備提供5V電壓，允許通過最大電流為500mA，這個數(shù)字不算很大，但好在聊勝于無，可以滿足一些耗電量較少的設(shè)備的需求，通過特殊的USB互聯(lián)設(shè)備，我們還可以用USB口實(shí)現(xiàn)雙機(jī)聯(lián)網(wǎng)，（），可惜僅能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)交換，不能稱作真正的網(wǎng)絡(luò)[13,14]。另外，USB協(xié)議則是一種比較新型、快速、靈活的總線傳輸方法，此通信系統(tǒng)通常只有一個主機(jī)，利用此方法設(shè)計的通信息有如下特點(diǎn)：（1）適用范圍廣泛，適用于數(shù)碼相機(jī)，高速數(shù)據(jù)采集等多種設(shè)備；（2）支持熱拔插，且此過程由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預(yù)；（3）采用菊花鏈?zhǔn)降男切涂偩€結(jié)構(gòu)，支持多達(dá)127個外設(shè)同時連接；（4）5Mbps、12Mbps和480Mbps的3種速度模式，可以滿足不同外設(shè)對速度的要求。它使得IIC總線能夠支持現(xiàn)有以及將來的高速串行傳輸應(yīng)用，例如EEPROM和Flash存儲器[11]。IIC總線始終和先進(jìn)技術(shù)保持同步，但仍然保持其向下兼容性。基本的I2C總線規(guī)范于20年前發(fā)布，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高為100Kbits/s，采用7位尋址。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動數(shù)據(jù)的傳輸還是僅僅被尋址。作為一個專利的控制總線，IIC已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。比如，如果要設(shè)計的主從式通信系統(tǒng)只是小范圍內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，甚至只是板間傳送數(shù)據(jù)，或者要求使用的I/O口很少，而對于數(shù)據(jù)的抗干擾能力的要求不是很高的話，則采用IIC總線傳輸協(xié)議是最合適不過的了。目前比較常用的有利用IIC總線傳輸協(xié)議設(shè)計的主從式總線通信系統(tǒng)，還有的是利用SPI總線傳輸協(xié)議和USB協(xié)議以及串口通信等設(shè)計的主從式總線通信系統(tǒng)[6，7]。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。當(dāng)前USB接口逐步取代RS232(DB9)串口已是大勢所趨，單片機(jī)同計算機(jī)的USB通信在實(shí)際工作中的應(yīng)用范圍也將越來越廣。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。隨著計算機(jī)技術(shù)尤其是單片微型機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們已越來越多地采用單片機(jī)來對一些工業(yè)控制系統(tǒng)中如溫度、流量和壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制。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。計算機(jī)與外界的信息交換稱為通信。現(xiàn)場數(shù)據(jù)必須通過一個數(shù)據(jù)收集器傳給上位機(jī)，同樣上位機(jī)向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)命令也必須通過數(shù)據(jù)收集器。1 緒論 研究背景通信是指不同的獨(dú)立系統(tǒng)利用線路互相交換數(shù)據(jù)，它的主要目的是將數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，通常采用計算機(jī)作為上位機(jī)與下層的實(shí)時控制與監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行通訊。串行通信因其結(jié)構(gòu)簡單、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?；镜耐ㄐ欧绞接胁⑿型ㄐ藕痛型ㄐ艃煞N。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 。PC機(jī)具有強(qiáng)大的監(jiān)控和管理能力，而單片機(jī)則具有快速及靈和的控制特點(diǎn)，通過PC機(jī)的RS232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。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。本文所介紹的單片機(jī)和PC機(jī)的USB通信方法，電路簡單，兼容性好，可移植性強(qiáng)，故可作為單片機(jī)同計算機(jī)的USB通信模塊廣泛應(yīng)用于工業(yè)和電子產(chǎn)品的開發(fā)中。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 由于計算機(jī)工業(yè)自動控制和檢測系統(tǒng)越來越多地采用集總分散系統(tǒng)，而主從式是其中最為普遍的一種方式，因此各種各樣主從式總線通信系統(tǒng)的方法不斷涌現(xiàn)。由于主從式總線通信系統(tǒng)采用的方法眾多，因此目前國內(nèi)外一般是根據(jù)實(shí)際情況而采用不同的方法去實(shí)現(xiàn)主從式通信系統(tǒng)的功能[8]。IIC總線支持任何一種IC制造工藝，并且PHILIPS和其他廠商提供了種類非常豐富的I2C兼容芯片。每個器件都有一個唯一的地址，而且可以是單接收的器件（例如：LCD驅(qū)動器）或可以接收也可以發(fā)送的器件（例如：存儲器）。IIC是一個多主總線，即它可由多個連接的器件控制[9]。但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，I2C總線也增強(qiáng)為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求[10]。并且最近還增加了高速模式。而如果需要遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，且對數(shù)據(jù)傳送的抗干擾能力要求有點(diǎn)高，則可以使用RS422或者RS485協(xié)議進(jìn)行主從式通信系統(tǒng)的設(shè)計[12]。USB發(fā)展到今天，總共有三種標(biāo)準(zhǔn)：,，此三種標(biāo)準(zhǔn)最大的差別就在于數(shù)據(jù)傳輸率方面，在其他方面也不同程度的改進(jìn)，總體來說，已經(jīng)擁有什么出眾的性能與傳輸速率。當(dāng)所要設(shè)計的主從式總線通信系統(tǒng)采用譬如MSP430單片機(jī)當(dāng)主機(jī)或者從機(jī)時，由于此單片機(jī)具有支持SPI的片內(nèi)串行通信接口，所以可以采用SPI總線傳輸協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。是Motorola首先在器MC68HCXX系列處理器上定義的[16]。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200。此時，所設(shè)計的系統(tǒng)擁有極低的功耗，豐富的片內(nèi)外設(shè)，卓越的工作性能和方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[17]。第五章對本文的總結(jié)。串行通信的設(shè)備是最古老的溝通機(jī)制之一。顧名思義，一個串行端口發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，一次一位數(shù)據(jù)。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。盡管相對較慢的傳輸速度遠(yuǎn)低于并行端口，串行端口通信依然因?yàn)樗唵蔚脑O(shè)備、高的成本效益以及差錯可控性強(qiáng)而成為一個受歡迎的連接選項(xiàng)。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。其他可以在任何時間發(fā)送或接收被稱為單雙工。該數(shù)據(jù)位可以是五，六，七，或8位，基于商定而定。數(shù)據(jù)位被發(fā)送完后，就會發(fā)送一個停止位。波特率是數(shù)據(jù)從一個設(shè)備到另一個的傳輸速度。注意：大多數(shù)串行設(shè)備傳輸七，八位數(shù)據(jù)。一個校驗(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）。然而，校驗(yàn)位可用于改善完整性數(shù)據(jù)傳送。大多數(shù)系列設(shè)備使用9針連接器。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳送，這種傳輸被稱為并行通信，如圖23所示。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。圖23 并行通信如果在通信過程的任意時刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。如果在任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸，則稱為全雙工。由于采用了回波抵消技術(shù)，雙向的傳輸信號不致混淆不清。在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個站（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。若使用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的傳送方式就是半雙工制，如圖24所示。收/發(fā)開關(guān)實(shí)際上是由軟件控制的電子開關(guān)。有些計算機(jī)和顯示終端之間采用半雙工方式工作，這時，從鍵盤打入的字符在發(fā)送到主機(jī)的同時就被送到終端上顯示出來，而不是用回送的辦法，所以避免了接收過程和發(fā)送過程同時進(jìn)行的情況。在實(shí)際使用時，一般并不需要通信雙方同時既發(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。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時，需要2根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信號（可能還需要控制線和狀態(tài)線，以及地線）。發(fā)送端通過發(fā)送時鐘確定數(shù)據(jù)位的開始和結(jié)束，接收端需要在適當(dāng)?shù)臅r間間隔對數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣來正確的識別數(shù)據(jù)。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。所謂異步傳輸是指字符與字符(一個字符結(jié)束到下一個字符開始)之間的時間間隔是可變的，并不需要嚴(yán)格地限制它們的時間關(guān)系。停止位對應(yīng)于二進(jìn)制值1，以高電平表示，占用1~2位寬度。例如，電報碼字符為5位、ASCII碼字符為7位、漢字碼則為8位。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。異步傳輸又稱為起止式異步通信方式，其優(yōu)點(diǎn)是簡單、可靠，適用于面向字符的、低速的異步通信場合。它的缺點(diǎn)是通信開銷大，每傳輸一個字符都要額外附加2～3位，通信效率比較低。每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，標(biāo)記一個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，一般還要附加一個校驗(yàn)序列(如16位或32位CRC校驗(yàn)碼)，以便對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行差錯控制。和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長容易引起時鐘漂移。可以在發(fā)送器和接收器之間提供一條獨(dú)立的時鐘線路，由線路的一端（發(fā)送器或者接收器）定期地在每個比特時間中向線路發(fā)送一個短脈沖信號，另一端則將這些有規(guī)律的脈沖作為時鐘。另一種方法是通過采用嵌有時鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同步信息。它不是