USB接口技术研究设计论文
[摘要] USB很好地解决了计算机插槽限制冲突，实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。USB接口如今已经成为计算机外设必不可少的设备。本文详细介绍了USB接口设备及其工作原理，并对其在生产实践中的具体应用方法进行了研究。
[关键词] USB;接口;应用与设计
从U盘、鼠标、读卡器、外接光驱等常用USB设备，到采用USB接口的电吹风、咖啡炉、剃须刀、圣诞树等千奇百怪的电脑附件，通过一台电脑的USB周边设备使人们享受到了更多的方便和乐趣。USB之所以能够如此普及并受到大众欢迎，在于它方便的热插拔，带宽大，速度快，可连接设备多，简单的网络互联功能等诸多优点。
一、USB接口技术传输类型及优点
USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)的简称。在计算机使用中，常常利用PC或工控机对各种数据进行数据采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。常用的采集方式是通过数据采集板卡，如A/D卡以及422、485总线板卡等。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而USB接口技术的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。USB系统主要由主控制器(Host Controller)、USB Hub 和USB外设(Peripherals Node)组成系统拓扑结构。
1.USB的传输类型。USB总线包括4种传输类型(传输管道)：(1)控制传输类型：用于传输控制信息。(2)块数据传输类型：用于传输相对比较大的和突发性强的数据，一般用于打印机、扫描仪等。(3)中断数据传输类型：通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息，如鼠标，键盘、游戏杆等。(4)同步数据传输类型：占用预先分配的带宽，实时传输，例如海量储存类、打印机类和HID(人机接口)类等。
2.USB的主要优点。速度快;USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB 1.1标准快40倍左右，速度的.提高对于用户的最大好处就是用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。设备安装和配置容易;安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。易于扩展;通过使用Hub扩展可拨接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m(5m低速)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。能够采用总线供电;USB总线提供最大达5V电压、500mA电流。使用灵活。USB共有4种传输模式：控制传输(control)、同步传输(Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。
二、USB的应用与设计
USB的应用主要是数据采集工作，随着USB应用的日益广泛，Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路A/D，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备USB接口的单片机是构成USB数据采集系统较好的方案。USB接口开发中有相当大的工作量是关于USB软件的开发，USB软件包括三方面的工作：固件(firmware)设计，驱动程序设计和主机端应用程序的设计。
1、固件设计。固件是运行在USB芯片上的程序，可采用汇编语言或C语言设计，其主要功能是控制USB芯片接收并处理USB驱动程序的请求、控制USB芯片接收应用程序的控制指令、通过USB芯片存放数据并实时上传至PC等。
2、驱动程序设计。在Windows平台下，USB驱动程序由3部分组成：USB设备驱动程序，USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序，他们必须遵循win32驱动程序模型(WDM)。其中，windows操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。而USB设备驱动程序由设备开发者编写，通过向USB总线驱动程序发送包含URB(USB Request Block)的IRP(I/0 Request Packet)，来实现USB外设之间的信息交换。当主机应用程序要对USB设备进行I/0操作时，调用Windows API函数对win32子系统进行win32调用，由I/O管理器将此请求构造成一个合适的IRP，并把它传递给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到这个IRP后，根据IRP中的包含的具体操作代码，构造响应的URB并把他放到一个新IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所包含的URB执行响应的操作，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接受到此IRP后，将操作结果通过IRP返还I/O管理器。最后，I/O管理器将此IRP中的操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。
3、应用程序设计。应用程序工作于用户模式，用户模式可以访问文件，处理数据，人机交互，不过必须借助设备驱动程序来访问硬件。在VC环境下开发的主机端的应用程序，容易实现了设备的打开、关闭、固件下载、端口配置和文件传输等功能。
USB接口技术的应用正处于高速发展阶段。在USB数据采集、USB工业控制等领域已经得到成功的应用。随着时代的进步和技术的发展，USB必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。
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