usb接口设计

清华大学毕业设计 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 第一章 前 言 当今的计算机外部设备 都在追求高速度和高通用性 为了满足用户的需求 以 Intel为首的七家公司于 1994年推出了 USB Universal Serial Bus 通用串行总 线 总线协议 专用于低 中速的计算机外设 目前 USB 端口已成为了微机主 板的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 端口 而在不久的将来 所有的微机外设 包括键盘 鼠标 显示器 打印机 数字相机 扫描仪和游戏柄等等 都将通过 USB与主机相连 这种连接 较以往普通并口和串口的连接而言 主要的优点是速度高 功耗低 支持即插即 用 Plug & Play 和使用维护方便 作为一个硬件厂商或是开发者 最关心的便是如何去开发 USB 外设 一般的 USB 设备都使用一片微控制器作为其核心部件 通过微控制器强大的控制和运算 功能 开发者可以很容易地实现 USB设备的智能化 MOTOROLA公司是目前世界上最大的微控制器供应商 其 8位微控制器的全 球市场份额达到了 30%左右 MOTOROLA 公司将其 8 位微控制器归类为用户定 制的集成电路 CSIC 为客户提供了MPU RAM EPROM SPI SCI 定时器 和 USB等多种模块 用量大的客户可以根据自己的需要选择不同的模块来构筑自 己的微控制器 MOTOROLA公司从 1996年开始 陆续推出了一系列含有 USB模 块的 8 位微控制器 用于支持 USB 总线协议的设备 如最早的用于显示器的 68HC05BD9A 用于鼠标的 68HC05JB2 以及用于键盘的 68HC08KL8 和 68HC08KH12等等 通过微控制器内含的 USB模块 用户可以很方便地实现 USB 总线上的数据通讯 68HC05JB4最初是用于开发 USB游戏柄的 后来也常被用于 其他一些 USB外设的开发 国外在近两年已出现了不少的 USB 外设 但目前在国内市场上我们仅发现了 台湾生产的摄像头等少数几类高速 USB外设 低速 USB设备还是一个空白 同时 国外开发的 USB设备多集中在鼠标 键盘等少数几类设备上 诸如 USB手写板等 设备就是在国外也很少见 国内近年来计算机非键盘输入技术发展很快 在汉字 英文和数字的手写识别方面已有相当基础 本项目之目的 就是吸收 USB总线和 MOTOROLA微控制器的先进技术 与中科院自动化所汉王公司的手写识别技术相 结合 在汉王笔的基础上 设计生产出自己的新一代 USB手写输入系统 此 USB手写系统 采用汉王公司的传感器获得笔画信息 传给 68HC05JB4 经过整理后通过 USB总线发送到 PC 再由自行编写的驱动程序接收 最终转给汉 王公司的文字识别软件识别 第 1 页 清华大学毕业设计论文 第二章 USB总线协议 USB Universal Serial Bus 总线协议是以Intel为主 并有Compaq Microsoft IBM DEC Northern Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口标 准 1994年11月制定了第一个草案 1996年2月公布了USB规范版本1.0 USB可把 多达127个外设同时联到你的系统上 所有的外设通过协议来共享USB的带宽 其 12Mbps的带宽对于键盘 鼠标等低中速外设是完全足够的 注 在1999年2月发 布的USB规范版本2.0草案中 已建议将12Mbps的带宽提升到120-240Mbps USB 允许外设在主机和其它外设工作时进行连接 配置 使用及移除 即所谓的即插 即用 Plug & Play 同时USB总线的应用可以清除PC上过多的I/O端口 而以一个 串行通道取代 使PC与外设之间的连接更容易 以下简单介绍USB总线的结构 原理 以使读者对USB有大致的了解 如果需 要了解其协议细节 请查阅USB总线规范 这可以从www.usb.org下载 2.1 总线拓扑结构 USB总线的物理连接是一种分层的菊花链结构 集线器(hub)是每个星形结构 的中心 PC机就是主机和根Hub 用户可以将外设或附加的Hub与之相连 这些附 加的Hub可以连接另外的外设以及下层Hub USB支持最多5个Hub层以及127个外 设 图2.1描述了USB的物理拓扑结构 从中可以看出每一段的连接都是点对点的 Host (Root Tier) Tier 1 Tier 2 Tier 3 Tier 4 Hub 1 Hub 2 Node Host RootHub Node Hub 3 Hub 4 Node Node NodeNodeNode 图2.1 USB总线拓扑 第 2 页 清华大学毕业设计论文 2.2 USB的物理层 USB的物理接口包括电气特性和机械特性 USB通过一个四线电缆来传输信号与电源 如图2.2所示 ... ... 5 meters max VBus GND D+ D- VBus GND D+ D- �������� �������� �������� �������� �������� �������� �������� 图2.2 USB电缆定义 其中D+和D-是一对差模的信号线 而VBus和GND则提供了 5V的电源 它可 以给一些设备(包括Hub)供电 当然要有一定的条件限制 USB提供了两种数据传输率 一种是12Mb的高速(full speed)模式 另一种是 1.5Mb的低速模式 这两种模式可以同时存在于一个USB系统中 而引入低速模式 主要是为了降低要求不高的设备的成本 比如鼠标 键盘等等 USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线 而且最长不能超过5m 而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线 但最长不能超过3m 这主 要是由于信号衰减的限制 为了提供信号电压保证 以及与终端负载相匹配 在 电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载 这种终端负载也保证了能够检测外设 与端口的连接或分离 并且可以区分高速与低速设备 所有的设备都有上行的接口 上行和下行的接头是不能互换的 这保证了不会 有非法的连接出现 插头与插座有两个系列 分别为A和B 系列A用于基本固定 的外围设备 而系列B用于经常拔插的设备 这两个系列是不能互换的 2.3 USB设备 USB设备包括Hub和功能设备 而功能设备又可以细分为定位设备 字符设备 等等 为了进一步叙述 我们给出端点(endpoint)和管道(pipe)的概念 第 3 页 清华大学毕业设计论文 端点 每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合 主机只能通过端点 与设备进行通讯 以使用设备的功能 每个端点实际上就是一个一定大小的数据 缓冲区 这些端点在设备出厂时就已定义好 在USB系统中 每一个端点都有唯 一的地址 这是由设备地址和端点号给出的 每个端点都有一定的特性 其中包 括 传输方式 总线访问频率 带宽 端点号 数据包的最大容量等等 端点必 须在设备配置后才能生效(端点0除外) 端点0通常为控制端点 用于设备初始化参数等 端点1 2等一般用作数据端 点 存放主机与设备间往来的数据 管道 一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接 它代表了一种在两者之间移动数据的能力 一旦设备被配置 管道就存在了 管 道有两种类型 数据流管道 其中的数据没有USB定义的结构 与消息管道 其 中的数据必须有USB定义的结构 管道只是一个逻辑上的概念 所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道 通过控制管道可以获取完 全描述USB设备的信息 包括 设备类型 电源管理 配置 端点描述等等 只 要设备连接到USB上并且上电 端点0就可以被访问 与之对应的控制管道就存在 了 一个USB设备可以分为三个层 图2.3 最底层是总线接口 用来发送与接收 包 中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通 一个端点是数据最终的 使用者或提供者 它可以看作数据的源或接收端 最上层就是USB设备所提供的 功能 比如鼠标或键盘等 USB Logical Device Function Physical Device USB Bus Interface Actual communications flow 实际数据流 Logical communications flow 逻辑数据流 图2.3 USB设备结构层次 第 4 页 清华大学毕业设计论文 2.3.1 Hub Hub在USB结构中是一个关键 它提供了附加的USB节点 这些节点被称为端 口 Hub可以检测出每一个下行端口的状态 并且可以给下端的设备提供电源 图 2.4是一个典型的Hub HUBUpstreamPort Port #1 Port #7 Port #6 Port #5 Port #4 Port #2 Port #3 图2.4 典型的USB集线器 Hub 2.3.2 即插即用 USB设备可以即插即用 但在可以使用之前 必须对设备进行配置 一旦设备 连接到某一个USB的节点上 USB就会产生一系列的操作 来完成对设备的配置 这种操作被称为总线枚举过程 1.设备所连接的Hub检测出端口上有设备连接 通过状态变化管道向主机 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 2.主机通过询问Hub以获取确切的信息 3.主机这时知道设备连接到哪个端口上 于是向这个端口发出复位命令 4.Hub发出的复位信号结束后 端口被打开 Hub向设备提供100mA的电源 这时设备上电 所有的寄存器复位 并且以缺省地址0以及端点0响应命令 5.主机通过缺省地址与端点0进行通讯 赋予设备一个独一的地址 并且读取 设备的配置信息 6.最后主机对设备进行配置,该设备就可以使用了 当该设备被移走时 Hub依然要报告主机 并且关闭端口 一旦主机接到设备 移走的报告 就会改写当前结构信息 第 5 页 清华大学毕业设计论文 2.3.3 设备的电源 USB设备的电源可以由USB总线供给 也可以自备电源 一个USB设备可以具 有这两种供电方式 但同一时刻只能由一种方式供电 这两种供电方式是可以切 换的 2.3.4 设备的挂起 为了节电 当设备在指定的时间内没有总线传输 USB设备自动进入挂起状态 如果设备所接的Hub的端口被禁止了 设备也将进入挂起状态(称之为选择挂起) 当然主机也可以进入挂起状态 USB设备当总线活动时 就会离开挂起状态 一个设备也可以通过电信号来远 程唤醒进入挂起状态的主机 这个能力是可选的 如果一个设备具有这个能力 主机有能力禁止或允许使用这种能力 2.4 USB主机 USB主机在USB系统中处于中心地位 并且对USB及其连接的设备有着特殊的 责任 主机控制着所有对USB的访问 一个外设只有主机允许才有权力访问总线 主机同时也监测着USB的结构 USB主机包括三层 如图2.5 设备驱动程序 USB系统软件 USB主控制器 (主机的总线接口) 另外 还有两个软件接口 USB驱动 USBD 接口 主机控 制驱动(HCD)接口 Client SW USB Host Controller Host USB System SW Actual communications flow 实际数据流 Logical communications flow 逻辑数据流 图2.5 USB主机结构层次 第 6 页 清华大学毕业设计论文 2.5 USB数据流 图2.6描述了USB数据传输的过程 SIESIE Host Controller USB Bus Interface USB Bus Interface USB System SW manages devices USB Logical Device a collection of endpoints Interconnect Physical DeviceHost USB Wire Buffers Transfers Transactions Data Per Endpoint Interface Specific Function a collection of interfaces Default Pipe to Endpoint Zero Pipe Bundle to an interface Pipe, represents connection abstraction between two horizontal entities Data transport mechanism( USB-relevant format of transported data No USB Format USB Framed Data USB Framed Data USB Framed Data No USB Format Interface x Endpoint Zero Client SW manages an interface Mechanical, Electrical, Protocol USB Device USB Host 图2.6 USB数据流 从逻辑上讲 USB数据的传输是通过管道进行的 USB系统软件通过缺省管道 (与端点0相对应)管理设备 设备驱动程序通过其它的管道来管理设备的功能接口 实际的数据传输过程是这样的 设备驱动程序通过对USBD接口(USB driver interface)的调用发出输入输出请求(IRP I/O Request Packet) USB驱动程序接到请 求后 调用HCD接口(host controller driver interface) 将IRP转化为USB的传输 (transfer) 一个IRP可以包含一个或多个USB传输; 然后HCD将USB传输分解为总 线操作(transaction) 由主控制器以包(packet)的形式发出 需要注意的是 所有的 数据传输都是由主机开始的 任何外设都无权开始一个传输 第 7 页 清华大学毕业设计论文 IRP是由操作系统定义的 而USB传输与总线操作是USB规范定义的 为了进 一步说明USB传输 我们引出帧 frame 的概念 帧 USB总线将1ms定义为一帧 每帧以一个SOF包为起始 在这1ms里USB 进行一系列的总线操作 引入帧的概念主要是为了支持与时间有关的总线操作 为了满足不同外设和用户的要求 USB 提供了四种传输方式 控制传输 同 步传输 中断传输 批传输 它们在数据格式 传输方向 数据包容量限制 总 线访问限制等方面有着各自不同的特征: 控制传输(Control Transfer 1 通常用于配置/命令/状态等情形 2 其中的设置操作 setup 和状态操作 status 的数据包具有 USB 定义的结构 因此控制传输只能通过消息管道进行 3 支持双向传输 4 对于高速设备 允许数据包最大容量为 8 16 32或 64字节 对 于低速设备只有 8字节一种选择 5 端点不能指定总线访问的频率和占用总线的时间 USB 系统软件 会做出限制 6 具有数据传输保证 在必要时可以重试 同步传输(Isochronous Transfer) 1 是一种周期的 连续的传输方式 通常用于与时间有密切关系的 信息的传输 2 数据没有 USB定义的结构 数据流管道 3 单向传输 如果一个外设需要双向传输 则必须使用另一个端点 4 只能用于高速设备 数据包的最大容量可以从 0到 1023个字节 5 具有带宽保证 并且保持数据传输的速率恒定 每个同步管道每 帧传输一个数据包 6 没有数据重发机制 要求具有一定的容错性 7 与中断方式一起 占用总线的时间不得超过一帧的 90% 中断传输(Interrupt Transfer) 1 用于非周期的 自然发生的 数据量很小的信息的传输 如键盘 鼠标等 2 数据没有 USB定义的结构 数据流管道 3 只有输入这一种传输方式 即外设到主机 4 对于高速设备 允许数据包最大容量为小于或等于 64字节 对于 第 8 页 清华大学毕业设计论文 低速设备只能小于或等于 8字节 5 具有最大服务周期保证 即在规定时间内保证有一次数据传输 6 与同步方式一起 占用总线的时间不得超过一帧的 90% 7 具有数据传输保证 在必要时可以重试 批传输(Bulk Transfer) 1 用于大量的 对时间没有要求的数据传输 2 数据没有 USB定义的结构 数据流管道 3 单向传输 如果一个外设需要双向传输 则必须使用另一个端点 4 只能用于高速设备 允许数据包最大容量为 8 16 32或 64字节 5 没有带宽的保证 只要有总线空闲 就允许传输数据 优先级小 于控制传输 6 具有数据传输保证 在必要时可以重试,以保证数据的准确性 图 2.7 描述了输入输出请求 IRP 传输 transfer 与操作 transaction 之 间的关系 数据传输的具体格式详见 2.6.3 Data Flow Types Control Transfer Interrupt Transfer Isochronous Transfer Bulk Transfer A control transfer is anOUT Setup transaction followed by multiple IN or OUT Data transactions followed by one “opposite of data direction” Status Transaction. One or more IN Data Transactions. One or more IN / OUT Data Transactions. One or more IN / OUT Data Transactions. IRP Transaction Transaction Transaction All transfers are composed of one or more transactions. And an IRP corresponds to one or more transfers. IRP Setup Transaction Data Transaction IRP IN Transaction IN Transaction IRP Transaction Transaction Transaction IRP Transaction Transaction Transaction Status Transaction Additional Control Transfers 图 2.7 USB数据传输 第 9 页 清华大学毕业设计论文 2.6 USB总线协议 所有总线操作都可以归结为三种包的传输 任何操作都是从主机开始的 主机 以预先排好的时序 发出一个描述操作类型 方向 外设地址以及端点号(这将在 以下部分给予解释)的包 我们称之为令牌包(Token Packet) 然后在令牌中指定的 数据发送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输 而数据的目的地一般 要以一个确认包(Handshake Packet)作出响应以表明传输是否成功 2.6.1 域的类型 同步域(SYNC field) 所有的包都起始于SYNC域 它被用于本地时钟与输入 信号的同步 并且在长度上定义为8位 SYNC的最后两位作为一个记号表明PID域 (标识域)的开始 在以后的叙述中 SYNC域将被省去 标识域(Packet Identifier Field) 对于每个包 PID都是紧跟着SYNC的 PID 指明了包的类型及其格式 主机和所有的外设都必须对接收到的PID域进行解码 如果出现错误或者解码为未定义的值 那么这个包就会被接收者忽略 如果外设 接收到一个PID 它所指明的操作类型或者方向不被支持 外设将不作出响应 地址域(Address Field) 外设端点都是由地址域指明的 它包括两个子域 外设地址和外设端点 外设必须解读这两个域 其中有任何一个不匹配 这个令 牌就会被忽略 外设地址域(ADDR)指定了外设 它根据PID所说明的令牌的类型 指明了外 设是数据包的发送者或接收者 ADDR共6位 因此最多可以有127个地址 一旦外 设被复位或上电 外设的地址被缺省为0 这时必须在主机枚举过程中被赋予一个 独一的地址 而0地址只能用于缺省值 而不能分配作一般的地址 端点域(ENDP)有4位 它使设备可以拥有几个子通道 所有的设备必须支持一 个控制端点0(endpoint 0) 低速的设备最多支持2个端点 0和一个附加端点 高速 设备可以支持最多16个端点 帧号域(Frame Number Field) 这是一个11位的域 指明了目前帧的排号 每 过一帧(1ms)这个域的值加1 到达最大值XFF后返回0 这个域只存在于每帧开始 时的SOF令牌中 SOF令牌在下面将详细介绍 数据域(Data Field):范围是0 1023字节 而且必须是整数个字节 CRC校验 包括令牌校验和数据校验 第 10 页 清华大学毕业设计论文 2.6.2 包的类型 令牌包(Token Packed) 其中包括 IN(输入) OUT(输出) SETUP(设置) 和SOF(Start of Frame 帧 起始)四种类型 其中IN OUT SETUP的格式如图2.8所示 ADDRPID 8 bits 7 bits ENDP 4 bits CRC5 5 bits 图2.8 IN OUT SETUP数据格式 对于OUT和SETUP来说 ADDR和ENDP中所指明的端点将接收到主机发出的 数据包 而对IN来说 所指定的端点将输出一个数据包 Token和SOF在三个字节的时间内以一个EOP(End of Packet)结束 如果一个包 被解码为Token包但是并没有在3个字节时间内以EOP结束 它就会被看作非法或被 忽略 对于SOF包 它的格式如图2.9所示 主机以一定的速率(1ms 0.05一次)发送 SOF包 SOF不引起任何操作 Frame NumberPID 8 bits 11 bits CRC5 5 bits 图2.9 SOF数据格式 数据包 包括Data0和Data1两种类型 这两种包的定义是为了支持数据触发 同步 数据包包含了PID DATA和CRC三个域 图2.10 PID CRC16 16 bits DATA 0-1023 bytes8 bits 图2.10 DATA数据格式 第 11 页 清华大学毕业设计论文 应答包(Handshake Packet) 仅包含一个PID域 图2.11 Handshake用来报 告数据传输的状态 只有支持流控制的传输类型 控制 中断和批传输 才能返 回Handshake PID 8 bits 图2.11 PID数据格式 Handshake包有三种类型 (1)确认包ACK 表明数据接收成功 (2)无效包NAK 指出设备暂时不能传送或接收数据 但无需主机介入 可以 解释成设备忙 (3)出错包STALL 指出设备不能传送或接收数据 但需要主机介入才能恢复 NAK和STALL不能由主机发出 特殊包 Special :PID名称为PRE preamble ,用于低速操作的情形 详见 6.5 2.6.3 总线操作的格式 批操作 bulk transaction : 批操作包括令牌 数据 应答三个阶段 如图 2.12 所示 对于输入操作 如 果设备不能返回数据 那么必须发出 NAK 或 STALL 包 对于输出 如果设备不 能接收数据 也要返回 NAK或 STALL 第 12 页 清华大学毕业设计论文 Token Data FunctionHost IN OUT Idle DATA0/ DATA1 ACK DATA0/ DATA1 Idle ACK NAK STALL Idle STALLNAK 图 2.12 批操作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 2.13描述了批操作的读 写过程以及序列位(sequence bit)和数据包 PID的使 用 详见 2.6.3 OUT (0) OUT (0/1) IN (0) IN (1) IN (0/1) DATA1 ... ... DATA0 DATA0 DATA1 DATA0/1 DATA0/1 OUT (1)Bulk Write Bulk Read 图 2.13 批操作读写过程 控制操作(control transaction): 控制操作 control transfer 主要包括两个操作阶段 transaction stage :设置 和状态 图 2.14 给出了设置操作的细节 如果数据没有正确接收 那么设备就会 忽略它 而且不返回应答包 第 13 页 清华大学毕业设计论文 FunctionHost Idle DATA0 ACK SETUP Idle Token Data Handshake 图 2.14 控制操作流程 下面是控制操作的详细描述 图 2.15 其中我们要注意数据包 PID的使用 SETUP (0) OUT (1) OUT (0/1) IN (0) IN (0/1) Setup Stage Data Stage Control Write Status Stage DATA0 DATA0 ... ... DATA1 DATA1 DATA1 IN (1) OUT (1) DATA0 DATA0/1 DATA0/1 OUT (0) IN (1)Control Read DATA0 DATA1 SETUP (0) IN (1)No-data Control DATA0 DATA1 SETUP (0) Setup Stage Status Stage 图 2.15 控制操作读写过程 中断操作(interrupt transaction): 中断操作只有输入这一个方向 具体格式与批操作的输入情形类似 图 2.16 第 14 页 清华大学毕业设计论文 DeviceHost Token Handshake Idle Data IN Idle ACK DATA0/ DATA1 NAK Idle STALL 图 2.16 中断操作流程 同步操作(isochronous transaction): 同步操作不同于其他类型 只包含两个阶段 令牌和数据 图 2.17 因为同 步传输不支持重发的能力 所以没有应答阶段 另外它也不支持数据的触发同步 与重试 Token Idle Idle IN OUT DATA0/ DATA1 DataDATA0/ DATA1 FunctionHost 图 2.17 同步操作流程 第 15 页 清华大学毕业设计论文 2.6.4 数据触发同步与重试 USB提供了保证数据序列同步的机制 这一机制确保了数据传输的准确性 这 一同步过程是通过Data0和Data1的PID以及发送者与接收者上的数据触发序列位 data toggle sequence bit 来实现的 接收者的序列位只有当接收到一个正确的数 据包时(包括正确的PID)才能被触发 而发送者的序列位只有当接收到确认包ACK 时才能被触发 在总线传输的开始 发送者与接收者的序列位必须一致 这是由 控制命令来实现的 同步传输方式不支持数据触发同步 图2.18 2.19 2.20说明了数据触发同步的基本原理 Tx (0) Rx (0->1) Tx (0->1) Rx (1) DATA0 ACK Tx (1) Rx (1->0) Tx (1->0) Rx (0) DATA1 ACK Transfer i Transfer i + 1 Accept data Accept data 图2.18 数据触发与同步 一 Tx (0) Rx (0->0) Tx (0->0) Rx (0) DATA0 NAK Tx (0) Rx (0->1) Tx (0->1) Rx (1) DATA0 ACK Transfer i Retry Transfer i Accept data Reject data 图2.19 数据触发与同步 二 Tx (0) Rx (0->1) Tx (0->0) Rx (1) DATA0 Failed ACK Tx (0) Rx (1) Tx (0->1) Rx (1) DATA0 ACK Transfer i Transfer i (retried) Tx (1) Rx (1->0) Tx (1->0) Rx (0) DATA1 ACK Transfer i + 1 Ignore data Accept data 图2.20 数据触发与同步 三 第 16 页 清华大学毕业设计论文 每次总线操作 接收者将发送者的序列位(被译码成数据包PID的一位 即Data0 或Data1)与本身的相比较 如果数据不能接收 则必须发送NAK 如果数据可以被 接收 并且两者的序列位匹配 则该数据被接收并且发送ACK 同时 接收者的 序列位被触发 如果数据可以被接收 但两者的序列位不匹配 则接收者只发出 ACK而不进行其它操作 对于发送者来说 在接收到NAK时或在规定时间内没有 接收到ACK 则将上一次的数据重发 2.6.5 低速操作 Hub具有禁止高速信号进入低速设备的能力 这既防止了电磁干扰的发生 又 保护了低速设备 图2.21是一次低速的输入操作 主机发送令牌与应答包并且接收 了一个数据包 ��������������������������������������� ��������������������������������������� ��������������������������������������� ������������������������������������� �������������������������������������SYNC PID SYNC PID Token sent at low speed . . .ENDP EOP Hub disables low speed port outputs SYNC PID SYNC PID Preamble sent at full speed Handshake sent at low speed EOP Data packet sent at low speed SYNC PID CRC EOPDATA Hub disables low speed port outputs Hub enables low speed port outputs Hub enables low speed port outputs Hub setup Hub setup Preamble sent at full speed 图2.21 低速方式的输入操作 所有下行的低速传输的包 必须先发送一个PRE包 Hub必须解释PRE包 而 所有其它的USB设备必须忽略这个包 主机在发送完PRE包后 必须等待至少4位 的时间 而在这个期间 Hub完成必要的设置 使之能接收低速的信号 在接收到 EOP信号之后 Hub关闭低速设备的端口 上行的操作则没有上述的行为 低速与高速是一样的 第 17 页 低速操作还有其它的限制 清华大学毕业设计论文 (1)数据包最大限制为8个字节 (2)只支持中断和控制传输方式 2.6.6 错误检验与恢复: USB具有检查错误的能力 并且可以根据传输类型的要求进行相应的处理 例 如 控制传输的需要很高的数据准确度 因此支持所有错误检验与重试来实现端 对端的数据完整传输 而同步传输不允许重试 因此必须具有一定的容错性 USB这种检查错误的能力包括 PID检验 CRC检验 总线时间溢出以及EOP 错误检验等等 2.7 结束语 以上我们介绍了 USB的基本结构和原理 只涉及了 USB规范 1.0版的一些章 节 如果想深入的了解 USB 必须仔细阅读 USB规范 这一规范从总体上描述了 USB的结构和原理 除此之外 USB将设备分为不同的类型 每个设备类型都定义 了类似功能设备的共同行为和协议 例如 HID Human Interface Device 人机接口 设备主要指用于人控制计算机系统操作的器件 而电源设备 Power Device 则被 定位为 HID的子系统之一 对设备进行分类是为了抹除不同硬件厂商之间的差异 以便于主机(PC)对设备进行方便 统一的管理 相同类型的设备都由一组标准定义 的功能模块组成 这样主机与 USB设备之间的通信就可以通过一些标准格式的数 据包来完成 对于每一类设备 还相应制定了描述这类设备的 USB规范 如果想 开发 USB设备 还必须对这种描述设备的规范有所了解 本项目设计的手写板属 于 HID设备 在软件设计方面有许多 HID设备特有的要求和实现 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在本文后 面的章节中还会详细叙述 USB 是 1996 年出现的 推出 USB 主要有三个目的 一是使安装 使用设备 更加容易 使用 USB 几乎所有的中低速设备都可以用相同的电缆和接头与 PC 相连 即使是不懂得硬件知识的人也可以安全的安装和使用 USB设备 USB所具 有的即插即用特性 更是体现了它的便捷 二是扩展 USB的 I/O 能力 从理论上 讲 USB 最多可以支持 127 个外设 总带宽达 12Mbs 可以满足几乎所有的中低 速设备的要求 如果用户想增加一个外设 只需将它插到某个 Hub 的一个端口即 可 三是支持声音和压缩影象等实时数据的传输 这为集成语音 电话等功能提 供了一个简单的途径 这也是 USB将得以发展的一个重要因素 可以支持 USB的 外设十分广泛 比如 鼠标 键盘 游戏杆 显示器 扫描仪 打印机 麦克风 第 18 页 清华大学毕业设计论文 数字相机等等 另外 还有一种高速的串行接口 IEEE1394 传输率可达 100Mb,200Mb乃至 400Mb 主要用于高速设备的数据传输 如硬盘 光驱等 USB 从推出到现在已经快两年了 到目前虽然还没有得到广泛的应用 但已 经有许多软 硬件产品支持 USB了 自从厂家把 USB所需的控制芯片加入到外围 设备的 ASIC 专用 IC 中 PC对 USB的支持只需要增加成本不到 1美元的插座 这大大刺激了 USB的发展 Microsoft推出的 PC98和 PC99系统已宣布将 USB和 HID 作为其支持的工业标准之一 可以预见 USB 将在今后的几年里得以发展 它将成为标准的设备接口 第 19 页 清华大学毕业设计论文 第三章 硬件设计 3.1 整体硬件描述 本项目以 汉王 手写识别系统为基础 通过自制的实验板收集输入板的数据 经过芯片MC68HC(7)05JB4的处理 再通过 USB总线传入 PC主机 最后由驱动 程序发给 汉王 汉字识别程序 完成整个数据的传递过程 图 3.1 图 3.1 系统结构框图 笔触数据的采集和最终的文字识别都已由 汉王 的现成产品实现 本项目 完成的工作主要是自制实验板的硬件电路设计 以及单片机汇编程序和 WINDOWS 98下的驱动程序编写 在硬件设计上 单片机的选择以及如何实现向 汉王 手写输入板的供电和输入板数据的接收是几个最主要的部分 而在程序 实现上 编写手写输入板数据的接收程序和WINDOWS98下的USB客户驱动程序 第 20 页 清华大学毕业设计论文 则是设计的基本任务 本章将详细讲述硬件部分的设计和实现 软件描述将由下 一章来完成 3.2 各部分硬件电路说明 系统硬件的核心是 MOTOROLA 的微控制器 MC68HC05JB4 它需要两个接 口电路分别与 汉王 手写板和主机通讯 与 汉王 手写板的接口是通过传统 的 RS-232协议实现的 称为 SCI 异步串行通讯接口 接口电路 与主机的接口 则是通过 USB协议实现的 同时辅助微控制器工作的还有一个晶体振荡电路 3.2.1 SCI接口电路 SCI 接口电路使用的芯片是 MAX232 它可将微控制器使用的+5V 电压传换 为+12V 供 汉王 手写板使用 同时将手写板的发送数据传给微控制器 图 3.2 图 3.2 SCI接口电路 3.2.2 USB接口电路 MC68HC05JB4提供了两个端口分别与电缆的 D+ D-相连 同时提供了一个 3.3V的参考电压 与 D-相连 典型连接如图 3.3 其中 1.5K 的电阻要求较高 阻 第 21 页 清华大学毕业设计论文 值范围必须是 1.5K 5% 一般的 USB设备 包括本项目 由于电缆长度有限 类似电缆负载之类的工作都不需要开发者去考虑 图 3.3 USB接口电路 3.2.3 晶体振荡电路 晶体振荡电路在微控制器系统中非常重要 它决定了整个微控制器系统能否 稳定工作 为了产生 1.5M 的 USB 总线速率 系统使用 6MHz 的晶振 电路连接如 图 3.4 其中 C2 C3和 R2的接入都是为了晶振更容易起振 一般要求 C2和 C3的 容值在 20PF上下 而 R2可用 2M或是 10M 图 3.4 晶体振荡电路 3.3 整体电路原理图 第 22 页 清华大学毕业设计论文 图 3.5 整体电路原理图 第 23 页 清华大学毕业设计论文 3.4 印制电路板设计实现 在设计印制电路板是主要考虑的是减小信号之间的交叉干扰 电源干扰 降 低噪声对电路的影响 提高整个系统的可靠性 在本系统的电路板上 主要是晶体振荡电路对噪声比较敏感 因此在设计这 部分电路时 特别注意使晶振 电阻 电容等相关器件与微控制器尽可能靠近 在布线时使这部分电路的信号线不与其他任何信号线交叉 此外还采用了一些常规的降低噪声和干扰影响的手段 包括尽量增加地线和 电源线的宽度 使用去耦电容 以及尽量减小元器件引脚长度等等 图 3.6 印制电路板元件分布与布线图 第 24 页 清华大学毕业设计论文 第四章 软件设计 本项目的软件设计是最困难的部分 主要包括微控制器 MC68HC05JB4 的汇 编程序设计和 WINDOWS 98 下的 HID 设备驱动程序编写 其中微控制器的汇编 程序任务主要是监视设备的状态 自动产生状态信息和用户命令信息 同时完成 主机与设备之间的 USB 总线通讯 自动处理主机的控制和查询命令等等 而 WINDOWS 98 下的 HID 设备驱动程序任务主要是与手写板通讯 并将数据以 WINDOWS消息的方式发给 汉王 手写识别软件 4.1 微处理器汇编程序设计 MC68HC05JB4 中的 USB 模块提供了 3 个端点 其中端点 0 通过控制传输与 主机通讯 而端点 1 和端点 2 则使用中断传输 用户可以近似地把端点 0 看作是 设备的控制和状态寄存器 而端点 1 和端点 2 则是设备的两个数据缓冲区 对应 于 3个端点 MC68HC05JB4提供了 3个控制寄存器 2个中断寄存器 端点 1和 端点 2共用 1个 同时为端点 0提供了 8个数据发送/接收寄存器 为端点 1和端 点 2提供了 8个共用的数据发送寄存器 其他在 USB模块中提供的寄存器还包括 一个地址寄存器和一个状态寄存器 由于 USB协议和 HID子协议比较复杂 所以这部分软件编写的工作量很大 最终编译后的机器代码总量在 2K左右 按其功能可大致分为四个模块 z USB中断服务例程 z 命令处理器 z 手写板输入模块 z 报告处理器 USB中断服务例程处理 USB的不同的通讯信息 如令牌 数据或应答等 发 送端点 0的 SETUP IN OUT等控制信息给命令处理器 另外协助报告处理器发 送待决的报告给中断端点 1 而手写板笔画数据报告的内容 则由手写板输入模块 生成 第 25 页 清华大学毕业设计论文 当 USB 设备第一次连接到总线上 它被指定为一个特定的地址 然后主机发 送命令要求来检测设备特性并且选择不同的设备参数 命令处理器模块分析这些 命令要求 按所要求的描述符和参数响应 由于 USB手写板被定位为人机接口设 备 HID 它不仅需要响应标准的 USB协议要求 还要响应 HID子协议的要求 同时为了完成手写板笔画信息的传输 设备还必须至少支持一种中断端点 另外 为了使数据能被 BIOS 正确解释 USB 手写板必须按照报告定义的格式输入 报 告处理器负责按规定格式转换手写板输入模块生成的数据 笔画信息 并请求中 断服务例程通过中断管道发送报告 手写板输入模块则随时准备接收 汉王 手写板发来的数据 修改报告数据字 节 待一个完整的数据包 包括按键信息和笔点的 X Y绝对坐标 接收完成后 即通知报告处理器 4.1.1 USB