USB通信技術(shù)有哪些應(yīng)用方案及設(shè)計(jì)？

USB(Universal Serial Bus)是一種常用的數(shù)字通信接口，廣泛用于計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在嵌入式系統(tǒng)中，使用USB接口可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和通信，方便與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接和控制。本文將介紹如何在STM32微控制器上實(shí)現(xiàn)USB接口的應(yīng)用，具體包括USB設(shè)備和USB主機(jī)功能。

USB設(shè)備功能

1. USB設(shè)備通信：使用STM32作為USB設(shè)備，可以通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制命令的交互。

2. USB設(shè)備驅(qū)動程序：STM32提供了相應(yīng)的USB庫，可以輕松地開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接和控制。

3. USB虛擬串口：可以將STM32配置為USB虛擬串口，使其與計(jì)算機(jī)之間直接通信，無需使用額外的串口轉(zhuǎn)換設(shè)備。

4. USB設(shè)備加電檢測：STM32的USB接口可以檢測到設(shè)備是否被計(jì)算機(jī)加電，并能相應(yīng)地調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)。

USB主機(jī)功能

1. USB主機(jī)通信：STM32作為USB主機(jī)，可以控制和管理連接到USB接口的外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、配置和控制等功能。

2. USB主機(jī)驅(qū)動程序：STM32提供了相應(yīng)的USB庫，可以方便地開發(fā)USB主機(jī)驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和管理。

3. USB設(shè)備識別：STM32可以檢測到連接到USB接口的外部設(shè)備，并能夠識別設(shè)備的類型和功能。

4. USB主機(jī)模式選擇：STM32支持多種USB主機(jī)模式，包括擴(kuò)展主機(jī)模式、OTG主機(jī)模式等，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。

USB是目前電子產(chǎn)品最通用的一種接口，USB電路的設(shè)計(jì)包含了眾多有趣的點(diǎn)。

比如有的芯片直接集成USB控制器，并且可以支持USBOTG功能。我們可以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求將USB或者USBOTG接口電路設(shè)計(jì)成采用MicroUSBAB型座子或者USB-TYPE-C接口。更復(fù)雜一點(diǎn)，USB電路通常又可以作為供電輸入，那又可以設(shè)計(jì)成根據(jù)接入的設(shè)備自動切換電源狀態(tài)。

USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸?shù)牧畠r(jià)的并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，而過去的串口和并口只能接一個(gè)設(shè)備。速度快是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。全速USB接口的最高傳輸率可達(dá)12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速USB接口速率更是達(dá)到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實(shí)時(shí)傳送成為可能。USB接口支持多個(gè)不同設(shè)備的串列連接，一個(gè)USB接口理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器(Hub)把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要。正是由于USB的這些特點(diǎn)，使其獲得了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，USB已經(jīng)在PC機(jī)的多種外設(shè)上得到應(yīng)用，包括掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設(shè)備等。對于廣大的工程設(shè)計(jì)人員來說，USB是設(shè)計(jì)外設(shè)接口時(shí)理想的總線。

對于USB接口芯片，通常分為普通和DMA(直接存儲器存取)兩種工作模式。相對于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號等高速、實(shí)時(shí)信號的傳送。但遺憾的是，國內(nèi)市場上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設(shè)計(jì)開發(fā)。為了解決這個(gè)問題，我們對USB的原理進(jìn)行了研究，嘗試著利用51單片機(jī)結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設(shè)計(jì)帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出了完整的硬件電路。

1、USB概述

由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對外設(shè)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。現(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對 USB的支持。

USB的主要優(yōu)點(diǎn)：

l 使用方便。連接外設(shè)不必再打開機(jī)箱;允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。

l 速度快。USB支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5 Mb/s(低速設(shè)備)、12 Mb/s(中速設(shè)備)和480 Mb/s(高速設(shè)備)。

l 獨(dú)立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。

l 連接靈活。一個(gè)USB口理論上可以連接127個(gè)USB設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用 串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的USB口相接。

l 成本低。為了把外設(shè)連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。

現(xiàn)在滿足USB要求的外設(shè)有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標(biāo)，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀，音箱等。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來的5米增加到近百米?；谶@點(diǎn)，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。USB 總線結(jié)構(gòu)簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。

通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)憑借其價(jià)格低廉、使用簡單、協(xié)議靈活、接口標(biāo)準(zhǔn)化和易于端口擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),迅速占領(lǐng)了計(jì)算機(jī)外設(shè)接口領(lǐng)域的統(tǒng)治地位,隨著USB技術(shù)的廣泛應(yīng)用,它在數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮了巨大的作用,而且隨著IP核的日益豐富,如何提高IP核的重用性,將不同的IP核有效的互連起來,縮短設(shè)計(jì)周期成了IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MCU&USB設(shè)備控制器IP核。該設(shè)計(jì)綜合了對設(shè)計(jì)者兩方面能力的要求,ASIC體系設(shè)計(jì)的能力和通信協(xié)議理解分析的能力,除具有較強(qiáng)的理論研究意義,也具有較高的實(shí)踐價(jià)值。本文首先簡單分析了通用串行總線USB(Universal Serial Bus)的產(chǎn)生、發(fā)展和USB設(shè)備國內(nèi)外研究狀況以及MCU(Microprocessor Control Unit)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。鑒于目前單片機(jī)技術(shù)火的一塌糊涂!越來越多的朋友加入了學(xué)習(xí)單片機(jī)的行列中!還有更多的朋友正在準(zhǔn)備加入到學(xué)習(xí)單片機(jī)行列中。很多初學(xué)者在購買了本站的硬件學(xué)習(xí)板后，在短期內(nèi)就掌握了自主編寫實(shí)用控制程序的能力，正所謂只要功夫深，鐵杵磨成針。

這里要先說一下單片機(jī)的含義，單片機(jī)就是一種微型的計(jì)算機(jī)，它的硬件等級不高，程序存儲器比較小，無法和我們個(gè)人電腦中的硬盤相比，但是他的整體成本很低，體積也很小，這就給電子工程師提供了一個(gè)低成本開發(fā)智能控制設(shè)備的可能。另外就是它的可塑性是很強(qiáng)的，只要把程序存儲器中寫入不同的程序，它就會根據(jù)不同的程序來完成不同的工作。

比如我們要控制洗衣機(jī)的完成一個(gè)智能控制洗衣流程(不采用簡單的機(jī)械定時(shí)器)，從成本角度講，雖然個(gè)人電腦性能強(qiáng)大，但是不能采用，因?yàn)橐慌_個(gè)人電腦的體積成本都太過了，此時(shí)用“單片機(jī)+順序控制程序+接口電路+執(zhí)行電路”就是最好的解決方案了，這等于在洗衣現(xiàn)場有一個(gè)小小的電腦在控制著整個(gè)洗衣過程，單片機(jī)是現(xiàn)代全自動洗衣機(jī)的核心部分，它的應(yīng)用大大減低了人的勞動強(qiáng)度。從這個(gè)簡單的例子中，我們就可以看到單片機(jī)的實(shí)際意義了!小到溫度智能控制，中到通訊控制，大到生產(chǎn)流程控制，都可以見到它的身影。應(yīng)用范圍絕對廣泛，只要編寫好不同的程序。單片機(jī)就可以完成不同的控制工作。這樣，我們通過編寫不同的控制程序就可以實(shí)現(xiàn)器件的萬能化!

大致可以通過這些步驟來完成實(shí)驗(yàn)及開發(fā)工作：

第一步：通過軟件編譯平臺開始寫我們的試驗(yàn)程序，這就好比寫文章要有筆和紙一樣，最常用的是KEIL軟件平臺，比如點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光管，點(diǎn)亮多個(gè)發(fā)光管，點(diǎn)亮流水燈，驅(qū)動繼電器，驅(qū)動數(shù)碼管......，學(xué)用寫源程序有2個(gè)重點(diǎn)，重點(diǎn)1是學(xué)會在KEIL中寫源程序，就和用記事本軟件編輯文字一樣，重點(diǎn)2是學(xué)會把寫好的源程序通過KEIL軟件平臺編譯成為單片機(jī)可以讀懂的由0和1構(gòu)成的機(jī)器碼，為了簡化，通常是生成16進(jìn)制的*.HEX或者*.BIN文件，不過本質(zhì)還是0和1。在這里，源程序我們能讀懂，但是單片機(jī)不能讀懂，所以需要把源程序通過編譯器編譯成最終的*.HEX或者*.BIN文件。在這里，編譯平臺充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)語言翻譯官的角色!

第二步：制作或者購買一個(gè)編程器(也有人叫它為燒寫器)。

注意，編程器的作用是把我們編譯好的機(jī)器碼文件寫入到單片機(jī)的程序存儲器中，這個(gè)設(shè)備的作用就好比我們給一個(gè)沒有記憶的人灌輸記憶。通過程序被寫入，單片機(jī)中就被灌輸了我們的設(shè)計(jì)思想或者是某種控制流程。編程器和單片機(jī)可以支持的文件是16進(jìn)制的，文件屬性一般為*.HEX或者*.BIN，它們的本質(zhì)是二進(jìn)制，也就是1和0。編程器只是一種寫入設(shè)備，而源程序還是要由我們來編寫和創(chuàng)造的!

第三步：制作或者購買一個(gè)實(shí)驗(yàn)板，它的作用是完成最終的硬件驅(qū)動效果驗(yàn)證。這就好比把一個(gè)已經(jīng)灌輸了我們設(shè)計(jì)思想的單片機(jī)連上軀體和四肢，看看這個(gè)完整的，已經(jīng)具備了“頭腦+思想+四肢”的設(shè)備是不是能真的動起來，動起來的時(shí)候看看它的動作是不是和我們設(shè)計(jì)的程序完全一致?如果不一致就說明我們給他設(shè)計(jì)的“思想”可能存在問題!此時(shí)就需要用編程器中的“擦除”操作給單片機(jī)“洗腦”，并且修改程序，然后再次寫入和看驗(yàn)證結(jié)果。

比如我們用軟件寫了一個(gè)流水燈程序，通過什么來驗(yàn)證它是否可以真正的驅(qū)動硬件呢?答案就是實(shí)驗(yàn)板。

也許有人會問，為什么沒有提到仿真器?因?yàn)橐郧皩I(yè)化的仿真器太貴了!大家一般都承受不了!

仿真器是做什么的呢?它的作用是調(diào)試我們的程序用的，比如我們的程序有100行，假設(shè)代表了10個(gè)驅(qū)動硬件的動作，這時(shí)候如果有仿真器的話，我們可以讓這10個(gè)動作一個(gè)個(gè)的執(zhí)行，同時(shí)能夠觀察到在執(zhí)行這10個(gè)動作的過程中，單片機(jī)內(nèi)部的各單元狀態(tài)是什么樣的!也就是可以細(xì)致的分析一下整個(gè)程序在硬件中的具體工作過程。這樣我們就可以了解程序中是不是有問題存在，所以叫做仿真!

仿真分為硬件仿真和軟件仿真二種，軟件仿真是完全虛擬的，比較抽象，初學(xué)者理解起來比較困難。硬件仿真方面，如果硬件仿真器連接了目標(biāo)設(shè)備，就可以看到驅(qū)動硬件的效果，還是比較實(shí)用的。