USB接口技术应用

                           
摘要：USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的简称，是一种应用在计算机领域的新型接口技术（也越来越多地应用于嵌入式便携设备），是当前最流行的接口技术之一。USB以其卓越的易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低功耗等诸多优点得到了迅速发展和广泛的应用。
本毕业设计在对USB接口技术原理进行深入的理解的基础上，通过对一套教学演示用传感器套件产品的串口接口改进成USB接口的过程，探讨USB接口技术运用到实际设计过程当中的一种普遍方法。采用PIC16F690控制CH372接口芯片实现USB的批量传输和中断传输，编写基于VC的PC端配套软件读写单片机数据并显示来实现产品的各项功能。
论文包括USB原理介绍，CH372接口芯片的使用，USB设备的软硬件设计以及PC端程序编写思路。对USB接口开发或者对原有设备进行USB升级有一定的作用。
关键词：通用串行总线；USB PIC16F690；接口芯片；CH372
Abstract:Universal Serial Bus (USB) is specified to be an industry-standard extension to the PC architecture with a focus on PC peripherals that enable consumer and business applications. Now, because of the architecture of the USB: Ease-of-use, Low-cost, Multiple Peripherals and Full backward compatibility, USB is full used in the development of PC peripherals.
This graduation design develops the USB port for a kind of teaching product what is used for showing sensors and doing experiment for students in stand of COM port. It’s showed a widespread method of developing the USB port. After having studied the Universal Serial Bus Specification deeply, I have designed this project. The Microchip PIC16F690 controls the USB device IC CH372 to bulk and interrupt Transactions. At the end of design, I programmed a application software with VC++ 6.0 to show the result of sensors and experiment.
This thesis includes Universal Serial Bus Specification, method of CH372, hardware and firmware programmer and the way of developing an application. It is useful for design a USB device or develops the existence device with USB.
Keywords：Universal Serial Bus；USB; PIC16F690；CH372

1  前 言
USB是英文Universal Serial Bus的简称，是一种应用在计算机领域的新型接口技术（也越来越多地应用于嵌入式便携设备），是当前最流行的接口技术之一。USB以其卓越的易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低功耗等诸多优点得到了迅速发展和广泛的应用。
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Intel、Compaq、Microsoft、IBM、DEC、Northern、Telecom以及日本NEC于1994年11月推出了USB（Universal Serial Bus）通用串行总线协议的第一个草案专用于低中速的计算机外设，USB可把多达127个外设同时连到用户的系统上，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。
随着USB技术的应用不断深入，在2000年发布的USB规范版本2.0中已经将USB支持的带宽提升到480Mbps。USB 正在不断地占领PC外设的市场，成为了PC外设的主流接口。在自己的产品中使用USB已经成为了一种潮流。如果希望产品被市场接受开发者往往不得不使用USB。现在USB不光成为了微机主板上的标准端口而且还成为了所有微机外设（包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等等）与主机相连的标准协议之一。这种连接较以往普通并口（Parallel port）和串口（serial port）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。因此我觉得USB的应用将越来越广泛。特别是在电气专业领域，工业现场控制，便携测试设备等方面。
    在对USB协议和实现方法进行了深入的研究之后，在导师的支持下，我有幸得到一外资企业要求设计USB接口的教学演示用传感器套件的机会，让我能够将自己的所学的USB技术应用到实际产品当中去。
    该企业现有一套基于串口教学演示用传感器套件产品，用于初高中学校教学过程中利用电脑演示物理量，实验结果等。由于串口越来越不普遍，给用户带来了很大的影响。企业迫切希望推出基于USB接口的升级产品来顺应时代潮流，更好地满足用户需求。
2  总体设计方案
2.1  分析用户要求
企业已经拥有一套比较完善的传感器产品。该套产品中有温度、湿度、导电率、pH、光密度、光电、空气湿度、磁场等十余种传感器，销往包括俄罗斯在内的东欧国家。使用时，这些传感器接入到一个称为主机的设备上，该设备将传感器的模拟量经过计算后存储并通过串口发送到PC端。PC端有一套配合使用的软件，在软件平台上演示传感器的效果或者实验结果。
用户要求所有传感器都独立采用USB接口，即每一个传感器都能够独立接入PC端USB接口。用户允许改变现有传感器的结构，包括测量方法。PC机端程序要求实现原有软件的所有功能。
2.2  总体设计方案
    基于企业已经拥有一套比较完善的传感器产品，我们的工作只是将传感器升级成USB接口，因此首先分析现有传感器的测量原理和电路结构，在此基础上进行硬件升级。
由于串口操作和USB操作方法的不同，PC端软件必须重新编写。
 
图1.    系统硬件框图
图中传感器部分由实际的传感器代替，信号处理部分主要是对传感器信号的放大和过滤。利用PIC单片机中集成的10位AD转换功能将模拟量进行数字化后存储（如有必要进行一定的计算）。利用PIC并口同USB接口芯片进行数据和命令传输，以实现USB传输功能。由于USB的传输一定是主机发起的，所以PC机端的应用软件除了要实现当前物理量的显示功能外，还必须能够实现USB的各项传输。
出于稳定性考虑，我基本采用原来的传感器的测量方法和模拟电路，而且现有的产品电路比较成熟。因此，图中传感器和信号处理部分基本上是基于原有电路之上的，我并没有参与过多的设计和改进。因此在本论文中不再涉及此部分设计思路。