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山东大学物理与微电子学院
USB接口研究与硬件电路设计
毕业论文
作者:林啸
指导老师:章亚明

摘要
USB作为一种新型的接口技术,以其简单易用、速度快等特点而备受青睐。

本文简要介绍USB 接口的特点、硬件结构、数据流传送以及外设控制器的实现方式。并详细说明利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件,设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路的过程。
引言
USB简介
USB的英文全称为Universal Serial Bus,中文含义是通用串行总线,它是一种快速的,双向的,同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。
USB接口使用方便,它可以连接多个不同的设备,而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快是USB技术的突出特点之一。全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s,比串口快了整整100倍,、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统,而USB设备则不需要。
正是由于USB的这些特点,使其获得了广泛的应用。到目前为止,USB已经在PC机的多种外设上得到应用,包括扫描仪,数码相机,数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说,USB是设计外设接口时理想的总线。
引言
设计内容

对于USB接口芯片,通常分为普通和DMA(直接存储器存取)两种工作模式。相对于普通模式,DMA数据传输模式传输速率更快,更适合于视频数字信号等高速、实时信号的传送。
但遗憾的是,国内市场上提供的各种USB接口电路板大部分仅工作在普通模式,缺少对DMA工作模式的支持,D数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开发。
为了解决这个问题,我们对USB的原理进行了研究,尝试着利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件,设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路,现已设计出了完整的硬件电路。
1、USB概述
概述
由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求,因此,USB总线技术应运而生。
USB(Universal Serial Bus)翻译为中文就是通用串行总线,是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen 等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器,它支持各种PC与外设之间的连接,还可实现数字多媒体集成。
现在生产的PC几乎都配备了USB接口,Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对 USB的支持。
1、USB概述
USB的主要优点:
使用方便。连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔,而不必关闭主机电源
速度快。USB支持三种设备传输速率: Mb/s(低速设备)、12 Mb/s(中速设备)和480 Mb/s(高速设备)。
独立供电。USB接口提供了内置电源。
连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器Hub,把多个设备连接在一起,再同PC机的USB口相接。
成本低。为了把外设连接到PC上,USB提供了一种低成本的解决方案。
2、USB结构与工作原理
USB物理总线的拓扑
一个USB系统包含三类硬件设备: USB HOST(USB主机)、 USB DEVICE(USB设备)、 USB HUB(USB集线器)。
2、USB结构与工作原理
USB物理总线的拓扑
USB HOST(USB主机)
在一个USB系统中,仅有一个USB HOST,USB HOST有以下功能:
管理USB系统;每毫秒产生一帧数据; 发送配置请求对USB设备进行配置操作; 对总线上的错误进行管理和恢复。
USB DEVICE (USB设备)
USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包,通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包:若地址不符,则简单地丢弃该数据包;若地址相符,则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。
USB HUB (USB集线器)
USB HUB用于设备扩展连接,所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。
2、USB结构与工作原理
USB的数据流传输
控制传输类型:支持外设与主机之间的控制,状态,配置等信息的传输,为外设与主机