基于USB的家電自動(dòng)化設(shè)計(jì)

 近年來(lái)，通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）的使用為家電自動(dòng)化引入了一種更為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)途徑。本文介紹了建立在USB基礎(chǔ)之上的、創(chuàng)新的家電自動(dòng)化應(yīng)用，并以基于USB的照明控制為例，講解了基于USB的家電自動(dòng)化的基礎(chǔ)知識(shí)。最后，本文比較了USB和其他用于家電自動(dòng)化的主流無(wú)線技術(shù)（如ZigBee通信協(xié)議和Bluetooth無(wú)線通信協(xié)議等）的異同。 

 　即插即用（Plug-n-play） 的簡(jiǎn)單操作就是當(dāng)家電插入PC上的USB端口，就會(huì)與PC交換USB家電參數(shù)，從而消除了對(duì)家電接口進(jìn)行設(shè)置的繁瑣工作。根據(jù)經(jīng)由USB端口傳送至PC的家電描述符，自動(dòng)把家電配置為“就緒”狀態(tài)。此外，在家電網(wǎng)絡(luò)上添加或刪除新家電，只要將它們簡(jiǎn)單地插拔即可。

　　隨著功能豐富的新型半導(dǎo)體器件的高速發(fā)展，同時(shí)其價(jià)格也隨之達(dá)到消費(fèi)者可以承受的水平，我們正在見(jiàn)證一場(chǎng)家電行業(yè)中的自動(dòng)化風(fēng)暴。在這些技術(shù)進(jìn)步中就包括了PC上USB的演化?，F(xiàn)在，我們的日常生活中方方面面都會(huì)用到PC機(jī)。我們與周圍環(huán)境的互動(dòng)，很大程度上是通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行控制的。

　　此外，從PC的角度看，USB使外圍設(shè)備初始化方面發(fā)生了巨大的變化，不再需要用戶與PC機(jī)進(jìn)行交互或關(guān)注PC機(jī)。USB協(xié)議非常智能，它能自動(dòng)檢測(cè)并驅(qū)動(dòng)多達(dá)127個(gè)連接在其總線上的設(shè)備?？梢灶A(yù)見(jiàn)，USB將能夠最終控制和驅(qū)動(dòng)絕大部分家電。

　　由于USB能實(shí)現(xiàn)家電自動(dòng)化，它對(duì)于最終用戶是有用的，包括USB自動(dòng)洗衣機(jī)、烘干機(jī)、咖啡機(jī)、安保系統(tǒng)以及家電控制臺(tái)，如圖1所示。不僅如此，對(duì)于家電制造商而言，在新產(chǎn)品測(cè)試方面，USB也非常有用。

　　USB的演化發(fā)展，使得家電的即插即用成為現(xiàn)實(shí)，而這促使了操作系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)標(biāo)準(zhǔn)USB驅(qū)動(dòng)程序提供支持。比如說(shuō)，Microsoft在其Windows操作系統(tǒng)（OS）的各版本中，提供了USB驅(qū)動(dòng)程序支持，支持諸如人機(jī)接口設(shè)備（Human Interface Device，HID）、通信設(shè)備類（Communication Device Class，CDC）和大容量存儲(chǔ)設(shè)備（Mass Storage Device，MSD）驅(qū)動(dòng)程序。

　　USB的另一項(xiàng)重要用途與預(yù)付費(fèi)設(shè)施有關(guān)。比如說(shuō)，自動(dòng)洗衣店可以向客戶發(fā)行洗衣卡，洗衣卡可以通過(guò)USB端口進(jìn)行讀取，從而通過(guò)USB總線對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行控制。USB總線提供了充足的數(shù)據(jù)率，用于記錄設(shè)施數(shù)據(jù)和記錄家電用電量明細(xì)。對(duì)于具有USB總線的家電而言，這類大容量存儲(chǔ)USB特別適用于數(shù)據(jù)記錄與控制。

　　USB還可以用在家電的安全使用上。例如，父母能夠通過(guò)USB端口對(duì)家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒(méi)有監(jiān)護(hù)人的情況下，孩子無(wú)法去操作有潛在危險(xiǎn)的家電。

USB總線架構(gòu)

　　USB是每條總線支持一個(gè)主機(jī)的一種主機(jī)控制架構(gòu)。大部分的PC上都有多個(gè)USB主機(jī)。設(shè)備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機(jī)上。多個(gè)集線器能夠以菊花鏈方式連接起來(lái)，支持多達(dá)127個(gè)不同設(shè)備，每個(gè)菊花鏈段長(zhǎng)度不能超過(guò)五英尺。

　　這種菊花鏈?zhǔn)竭B接，形成了稱為層式星狀（Tiered Star）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它與10-Base T以太網(wǎng)類似。與以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，USB有一些優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閁SB集線器能為連接在其上的設(shè)備供電，并在發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)關(guān)閉設(shè)備。USB集線器還能適當(dāng)過(guò)濾主機(jī)和設(shè)備間的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設(shè)備的無(wú)縫集成。

　　USB是即插即用型協(xié)議，能動(dòng)態(tài)加載和卸載USB驅(qū)動(dòng)程序。要加載USB驅(qū)動(dòng)程序，必須有USB提供商標(biāo)識(shí)符（VID）和產(chǎn)品標(biāo)識(shí)符（PID）。

　　VID用來(lái)識(shí)別USB總線的制造商。通常，VID由名為“通用串行總線開發(fā)者論壇”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）組織分配，申請(qǐng)者需要支付注冊(cè)VID費(fèi)用。與VID類似，PID是一個(gè)16位數(shù)字，PID標(biāo)識(shí)的是產(chǎn)品，設(shè)備制造商提供PID號(hào)。不同于VID，對(duì)于PID來(lái)說(shuō)，USB-IF對(duì)其沒(méi)有任何管理上的限制。

　　USB的另一個(gè)重要特性是它支持不同類型的數(shù)據(jù)傳輸方式。例如，USB V2.0支持四種不同類型的數(shù)據(jù)傳輸：
◆   控制傳輸方式?？刂苽鬏斣谠O(shè)備插入時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置，并能用于其他的設(shè)備特定用途，諸如對(duì)設(shè)備上的其他通道進(jìn)行控制等。
◆   批量傳輸方式。在數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和使用量相對(duì)較大時(shí)采用批量傳輸方式。
◆   中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時(shí)且可靠的數(shù)據(jù)傳送。例如，具有人類可感知反應(yīng)或反饋?lái)憫?yīng)特征的字符或坐標(biāo)等。
◆   同步傳輸方式。同步傳輸方式在預(yù)先約定的傳輸延遲時(shí)間占用預(yù)定的USB帶寬，同步傳輸也稱為“流實(shí)時(shí)傳輸”。

　　A型USB連接器專用于數(shù)據(jù)下行傳輸，即數(shù)據(jù)從設(shè)備傳輸?shù)街鳈C(jī)，所以，A型連接器位于設(shè)備上。

　　B型USB連接器專用于數(shù)據(jù)上行傳輸，即數(shù)據(jù)從USB主機(jī)傳輸?shù)皆O(shè)備或從集線器傳輸?shù)皆O(shè)備，B型連接器位于主機(jī)和集線器上，如圖2所示。有時(shí)為了使占用空間更小，可以使用微型USB連接器。
USB設(shè)備通過(guò)拉高D+或D-端線電平來(lái)指示其速度，最高為3.3伏。全速設(shè)備在D+端接一個(gè)上拉電阻表明它是全速設(shè)備，如圖3所示。

　　如果沒(méi)有上拉電阻，USB就假定總線上沒(méi)有連接任何東西。有些設(shè)備中，上拉電阻是內(nèi)置的，能通過(guò)固件開啟和關(guān)閉。另一些設(shè)備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過(guò)固件進(jìn)行速度控制會(huì)受到限制，并且要求另外對(duì)外部中繼服務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與編碼。
低速設(shè)備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設(shè)備，如圖4所示。最開始，高速設(shè)備被當(dāng)作全速設(shè)備進(jìn)行連接（D+→1.5k至3.3V）。初始連接之后，設(shè)備在復(fù)位時(shí)將發(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機(jī)建立高速連接。一旦設(shè)備經(jīng)初始化進(jìn)入高速模式，上拉電阻就被禁用。

USB數(shù)據(jù)流模式

　　在設(shè)備可以與應(yīng)用進(jìn)行通信前，USB主機(jī)需要了解設(shè)備狀態(tài)并給它分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)這一初始信息交換的過(guò)程就叫作枚舉。在枚舉過(guò)程中，根據(jù)USB V2.0規(guī)范的定義，設(shè)備將經(jīng)歷以下設(shè)備狀態(tài)：
◆  上電狀態(tài)（Powered）
◆   缺省狀態(tài)（Default）
◆   地址狀態(tài)（Address）
◆   配置狀態(tài)（Configured）

　　另外還有兩個(gè)USB設(shè)備狀態(tài)，“連接狀態(tài)”（Attached）和“掛起狀態(tài)”（Suspended）。枚舉過(guò)程的具體細(xì)節(jié)超出了本文的范圍；不過(guò)，在設(shè)備配置中使用的命令與結(jié)構(gòu)是相關(guān)的。描述符是讓USB主機(jī)能獲取設(shè)備信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在枚舉過(guò)程中，主機(jī)請(qǐng)求描述符，從最上層設(shè)備描述符開始，一直到最低層端點(diǎn)描述符，順序如圖5所示。

枚舉過(guò)程

　　下面概述一下USB設(shè)備的枚舉過(guò)程所包含的步驟，并講解設(shè)備在枚舉過(guò)程如何經(jīng)歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個(gè)狀態(tài)。
◆  用戶將一個(gè)USB設(shè)備插入U(xiǎn)SB端口，主機(jī)為端口供電，設(shè)備此時(shí)處于上電狀態(tài)。
◆  主機(jī)檢測(cè)設(shè)備。
◆  集線器使用中斷通道將事件報(bào)告給主機(jī)。
◆  主機(jī)發(fā)送Get_Port_Status（讀端口狀態(tài)）請(qǐng)求，以獲取更多的設(shè)備信息。
◆  集線器檢測(cè)設(shè)備是低速運(yùn)行還是高速運(yùn)行，并將此信息送給主機(jī)，這是對(duì)Get_Port_Status請(qǐng)求的響應(yīng)。
◆  主機(jī)發(fā)送Set_Port_Feature（寫端口狀態(tài)）請(qǐng)求給集線器，要求它復(fù)位端口。
◆  集線器對(duì)設(shè)備復(fù)位。
◆  主機(jī)使用Chirp K信號(hào)來(lái)了解全速設(shè)備是否支持高速運(yùn)行。
◆  主機(jī)發(fā)送另一個(gè)Get_Port_Status請(qǐng)求，確定設(shè)備是否已經(jīng)從復(fù)位狀態(tài)退出。
◆  設(shè)備此時(shí)處于缺省狀態(tài)，且已準(zhǔn)備好在零端點(diǎn)通過(guò)缺省通道響應(yīng)主機(jī)控制傳輸。缺省地址為00h，設(shè)備能從總線獲取高達(dá)100mA的電流。
◆  主機(jī)發(fā)送Get_Descriptor（讀設(shè)備描述符）報(bào)文，以便確定最大數(shù)據(jù)包大小。設(shè)備描述符的八個(gè)字節(jié)是bMaxPacketSize。
◆  通過(guò)發(fā)送Set_Address（寫地址）請(qǐng)求，主機(jī)分配地址，設(shè)備此時(shí)處于地址狀態(tài)。
◆  主機(jī)發(fā)送Get_Descriptor報(bào)文，以獲取更多的設(shè)備信息。主機(jī)通過(guò)發(fā)送描述符響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求，隨后發(fā)送全部的次級(jí)描述符。
◆  主機(jī)分配并加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
◆  通過(guò)發(fā)送Set_Configuration（寫配置）請(qǐng)求，主機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序選擇一個(gè)有效配置，設(shè)備此時(shí)處于配置狀態(tài)。
◆  主機(jī)為復(fù)合設(shè)備接口分配驅(qū)動(dòng)程序。
◆  如果集線器檢測(cè)到有過(guò)流現(xiàn)象，或者主機(jī)要求集線器關(guān)閉電源，則USB總線切斷設(shè)備供電電源。在這種情況下，設(shè)備與主機(jī)無(wú)法通信，但設(shè)備處于連接狀態(tài)。
◆  如果在3毫秒內(nèi)設(shè)備在總線上未見(jiàn)任何動(dòng)作，則它將進(jìn)入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)設(shè)備消耗的總線電能最少。
USB協(xié)議層
控制傳輸使主機(jī)和設(shè)備之間可以交換設(shè)備配置信息和其他控制信息?？刂苽鬏斣诘退俸腿賯鬏斶\(yùn)行時(shí)占用10%的帶寬，在高速運(yùn)行時(shí)占用20%的帶寬。控制傳輸由設(shè)置階段、可選的數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段組成，下面詳細(xì)描述每個(gè)階段的包。
◆   標(biāo)記包。USB中所有事務(wù)都是由主機(jī)（PC）來(lái)完成的。IN表示數(shù)據(jù)被讀入PC，OUT表示數(shù)據(jù)由主機(jī)送出至設(shè)備，如圖6所示。
◆  數(shù)據(jù)包（可選）。USB主機(jī)有兩個(gè)數(shù)據(jù)包——DATA0和DATA1。每一個(gè)包的容量為1024字節(jié)。
◆  狀態(tài)包。在諸如應(yīng)答（ACK）、否定應(yīng)答（NACK）以及停止（Stall）等事務(wù)中，狀態(tài)包用來(lái)跟蹤USB狀態(tài)。
◆  幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB主機(jī)都將發(fā)送一幀SOF，每幀有11位數(shù)據(jù)。

基于USB的家電網(wǎng)絡(luò)

　　在基于USB的家電網(wǎng)絡(luò)中，可以以菊花鏈?zhǔn)竭B接6個(gè)USB集線器，為多達(dá)127臺(tái)家電設(shè)備提供接口。所有的集線器能安放在一個(gè)集線盒中，集線盒則通過(guò)控制電纜連接到設(shè)備上。這也可以由帶USB端口、運(yùn)行Windows OS的單板機(jī)進(jìn)行控制，最終將為家中每個(gè)房間配備一個(gè)家電控制臺(tái)。

　　通過(guò)USB自動(dòng)化，您在與朋友聊天的同時(shí)，可以通過(guò)PC控制洗衣機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、衣服類型、清洗劑類型以及水溫等。您也可以為每項(xiàng)任務(wù)添加音頻特征，這樣當(dāng)每項(xiàng)任務(wù)完成時(shí)，您可以在某個(gè)特定的地方（臥室、客廳、游泳池或廚房等）收到音頻提示。此外，烘干機(jī)可以通過(guò)USB自動(dòng)接收指令，從洗衣機(jī)處裝入衣服，設(shè)置烘干時(shí)間，然后自動(dòng)計(jì)時(shí)烘干，在每項(xiàng)任務(wù)成功完成后均有音頻提示。

　　通過(guò)USB自動(dòng)化，您可以在辦公桌上控制咖啡機(jī)，不僅僅是煮咖啡，還能檢測(cè)咖啡壺中還剩多少咖啡，USB自動(dòng)化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB還可以使您看到冰箱內(nèi)部的情況，設(shè)置特定的觸發(fā)開關(guān)來(lái)檢測(cè)剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據(jù)這些信息，當(dāng)您計(jì)劃去商場(chǎng)時(shí)，可以從PC中快速匯總食品采購(gòu)清單。照明自動(dòng)化是居家的基本需求。通過(guò)USB自動(dòng)化，能夠檢查全屋的照明情況，并通過(guò)PC對(duì)其進(jìn)行控制。

　　USB與溫度傳感器配合使用，能夠自動(dòng)控制房屋某處電風(fēng)扇和空調(diào)的運(yùn)行。這樣，可以使不同的房間或“區(qū)域”保持不同的溫度，以便節(jié)能。此外，電風(fēng)扇和空調(diào)可以自動(dòng)地分擔(dān)制冷負(fù)荷。而在家庭安保方面，使用USB自動(dòng)化，可以通過(guò)PC控制門鎖、查看門鎖狀態(tài)，在臥室就可以關(guān)閉或打開房門。

　　此外，USB自動(dòng)可視門鈴能用于防止入侵者進(jìn)入房屋。USB自動(dòng)化也使您能通過(guò)PC打開和關(guān)閉窗戶及窗簾。家電USB自動(dòng)化的潛力是無(wú)窮的，采用現(xiàn)代技術(shù)，USB自動(dòng)化就是把家電或設(shè)備與PC上USB端口連接，如圖7所示。

超寬帶USB的優(yōu)點(diǎn)

　　超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）USB也稱為“無(wú)線USB”，它是一種短距離無(wú)線通信的推薦標(biāo)準(zhǔn)，有望在不久的將來(lái)取代藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙是目前短距離無(wú)線連接的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于藍(lán)牙與Wi-Fi（802.11g標(biāo)準(zhǔn)）使用相同的頻段，因此可能存在干擾問(wèn)題。

　　另外，UWB使用3.1～10.6GHz的頻段，它的每個(gè)無(wú)線電信道均超過(guò)500MHz，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）對(duì)其有嚴(yán)格的傳送功率限制。UWB使用了極寬的頻段，同時(shí)發(fā)射功率較小，以便窄帶設(shè)備能夠檢測(cè)到信號(hào)，因此，UWB能與其他的無(wú)線通信協(xié)議（如Wi-Fi）共存。

　　本文討論了基于USB的家電自動(dòng)化，文中說(shuō)明了來(lái)自Microchip的8位PIC單片機(jī)不僅能用于交流家電的控制，也完全可以用于解決數(shù)據(jù)記錄、用于需要類似音頻視流那樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用?；赨SB的家電自動(dòng)化具有無(wú)限的空間，預(yù)計(jì)采用USB控制的家電產(chǎn)品將迅速發(fā)展。無(wú)線USB的標(biāo)準(zhǔn)化，將促進(jìn)基于USB的家電自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低干擾的無(wú)線連接。