1、USB 数据传输在动态测试系统中的应用摘 要：当今世界电子技术日新月异，各类电子产品之间的交流与通信乃是极其重要的一环接口技术。而提到主流接口技术 USB 接口当居首位。在中北大学所研究的存储测试系统与计算机之间的数据通信是通过并行打印口（EPP）完成的, 为了保证传输数据的误码率和准确率符合要求, 并口数据传输速度只能达到300Kbps 波特率, 已经不能满足高速、高精度以及数据容量大的测试需求。而新的接口的开发中，USB 接口技术充分显示了他的数据传输能力。本文简明扼要的介绍了 USB 的发展史以及 USB 在现今社会的部分应用，在USB 接口的基础上进行的，详细的介绍了以下几点：1、 系
2、统的介绍了 USB 接口技术。包括 USB 总线的物理层，USB 的传输体系以及 USB 的协议层等。配合图解，对 USB 接口技术有了一个较为详细的描述和更为深层次的理解。2、 通过对原有的电子测压系统的了解，明确了本次毕业设计对所开发的USB 接口提出的性能上的具体要求。以 USB 接口代替原有的 PC 机并行打印口对测压系统串行通信接口进行编程和读数的操作。在明确系统要求后进行了总体方案设计，并选择了适当的微控制芯片。3、 在选定主芯片后，围绕主芯片进行外围电路设计。画出系统原理图与PCB 板图。依照 CYPRESS 公司提供的资料及开发包，编写相应的固件程序。完成设计。通过一段时间的学
3、习和开发，解决了大部分在开发中遇到的问题，在设计结束后基本完成了对电子测压系统新的 USB 接口的开发，但由于时间关系调试工作并没有完成。USB 技术是种非常实用的接口技术，希望在设计结束以后仍能从事对 USB 接口的开发。关键词： USB 通信 动态测试 cy7c68013aThe application of USB data transmission in a dynamic system of testingAbstract： With the electronic technology getting process every day in todays world, the mo
4、st important step is the communication between all kinds of electronic productsinterface technology. USB port must be the NO.1 in mainsteam interface technology when we talk about. In the study of the storage test system and data communication between the computer by the NUC is completed by the para
5、llel print port (EPP). In order to ensure that the bit error rate data transmission and accuracy to meet the requirements, parallel data transmission speed can only be achieved 300Kbps, has been unable to meet high-speed, high precision and data capacity of the testing requirements. The new interfac
6、e in the development of, USB interface technology fully demonstrated his ability to transfer data.The graduation project is basic on the USB interface and introduced the following points of detailed: 1, The thesis introduced the USB interface technology with systematic. Including the physical layer
7、of USB, the transmission system of USB, and the protocol layer. Graphic with the USB interface technology with a more detailed description and a more deep-seated understanding. 2, By the understanding of old e-pressure system, defined specific requirements of the performance of the interface which e
8、xplore in the graduation project this time. USB interface have replace the original PC-parallel print port on the pressure system serial communication interface for programming and reading operation. With a clear system requirements after the overall programme design, and select the appropriate micr
9、ocontroller.3, Selected the main chip, the external circuit on board around the main chip have been designed. Draw out the system schematics and PCB board plans. Accordance to the information and the development package provided by CYPRESS, take the firmware program and complete the design. Through
10、a period of learning and development, to solve most of the problems encountered in the development, design completed basically after the end of the e-pressure system of the new USB interface development, but due to the time commissioning work is not completed. USB technology is very useful kind of i
11、nterface technology, in the hope that the end of the design can still engaged in the development of the USB interfaceKey words： USB interface CYPRESS cy7c68013a目 录1 绪论 .11.1 课题的背景、目的及意义 .11.2 USB 数据通信的发展及应用现状 .11.2.1 什么是 USB.11.2.2 USB 数据通信的发展现状 .21.2.3 USB 设备的应用 .31.3 本课题完成的工作 .62 USB 总线技术系统介绍 .72.
12、1 USB 数据信号与电缆 .72.1.1 总线 .72.1.2 USB 的物理层 .72.1.3 USB 数据传输方式 .82.1.4 USB 电源 .82.2 USB 传输体 系结构 .92.2.1 总线拓扑结构 .92.2.2 USB 主机 .92.2.3 USB 设备 .102.2.4 Hub 集线器 .112.2.5 即插即用 .122.2.6 USB 数据传输过程 .122.3 USB 通信协议 .132.3.1 USB 通信协议 .132.3.2 域的类型 .142.3.3 包的类型 .142.3.4 错误检验与恢复： .163 方案 设计 .163.1 功能要求 .163.2
13、系统工作原 理 .173.2.1 存储测试 .173.2.2 存储测 试系统 .173.2.3 电子测压系统 .183.3 USB 接口芯片选择与芯片特性 .193.3.1 USB 接口芯片的比较与选择 .193.3.2 EZ-USB FX2 芯 片特性 .204 硬 件设计 .224.1 整体硬件描述 .224.2 USB 接口电路设计 .224.2.1 USB 接口电路设计 .224.2.2 USB 接口的电源转换电路 .234.3 测压器与微控芯片间的串行通信接口及电平转换电路 .234.4 程序存储电路设计 .264.5 复位电路与晶 振电路 .274.6 印制电路板设计 .274.6
14、.1 布局设计原则 .274.6.2 布线设计原则 .284.6.3 本次 PCB 设计中的注意事项 .294.6.4 完 整 PCB 图 .295 软 件设计 .305.1 固件框架程序设计 .305.2 固件程序设计 .325.2.1 USB 端口的读 写程序设计 .325.2.2 USB 端点的数据发送和采集程序设计 .356 结 论 .40附录 A 完整电路原理图 .41附录 B 印制电路板图 .42参 考 文 献 .43致 谢 .44第 1 页 共 44 页1 绪论11 课题的背景、目的及意义中北大学动态测试与智能仪器教研室多年来一直从事动态测试领域的研究，研制的存储测试系统与计算机
15、之间的数据通信都是通过并行打印口（EPP）完成的, 为了保证传输数据的误码率和准确率符合要求, 并口数据传输速度只能达到300Kbps 波特率, 已经不能满足高速、高精度以及数据容量大的测试需求。因此需要开发新的总线接口技术。通用串行总线 USB 是 1995 年康柏、微软、IBM、DEC 等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展、快速、双向、同步、方便、支持即插即用、价廉等优点，符合了虚拟仪器、测试仪器总线与驱动程序的标准化、即插即用化的发展趋势，在虚拟仪器技术和测试仪器上有着广泛的应用前景。本设计将开发研究 USB 数据传输技术，拟采用集
16、成的 USB2.0 芯片 cy7c68013a，完成适用于火炮膛压测试系统的 USB 接口设计并应用，在考虑原有接口和计算机应用程序的兼容性的条件下实现对测试系统的编程功能与读取测试数据功能。动态测试系统采用 USB 接口进行数据通信大大提高了数据传输速度，满足了瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测试需求，满足了现代工业生产和科学研究对数据采集的要求，有效解决了高速数据传输问题。1.2 USB 数据通信的发展及应用现状 1、21.2.1 什么是 USBUSB(Universal Serial Bus)，即通用串行总线，是一种串行总线系统，带有5V 电压，支持即插即用功能，支持热拔插功能
17、，最多能同时连入 127 个 USB 设备，由各个设备均分带宽。USB 是由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom 等 7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准，旨在统一外设如打印机、外置 Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和 PS/2 接口。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速第 2 页 共 44 页连接，达到方便用户、降低成本、扩展 PC 连接外设范围的目的。目前 USB 端口已成为了微机主板的标准端口，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
18、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。 1.2.2 USB 数据通信的发展现状 1、2通用串行总线 USB(Universal SerialBus)是 Intel、Microsoft 等大厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛
19、盾而于 1995 年提出制定的。它是一种用于将适用 USB 的外围设备连接到主机的外部总线结构，带有 5V 电压，支持即插即用功能，支持热拔插功能，最多能同时连入 127 个 USB设备，由各个设备均分带宽,主要用在中速和低速的外设。USB 同时又是一种通信协议，支持主机和 USB 的外围设备之间的数据传输。USB 诞生于 1994 年，皆在统一外设如打印机、外置 Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和 PS/2 接口，可是 USB 标准真正颁已经是 1996 年了，标准是 USB1.0。一种接口的普及必须三个条件：统一的标准、流行操作平台的良好支持以及支持该
20、标准的大量产品，而 Win95 是不支持USB 的。因此，96 年颁布的 USB 标准也就成了一张废纸。因此，虽然 98 年以前的不少主板芯片组也能对 USB 提供支持，但是主板厂家无一例外都没有提供 USB接口，连主板上都没有 USB 口，那么 USB 产品就更是找不到了。1998 年，推出 USB1.1 标准，使 USB 技术更加成熟可靠；接着 Win98 发布，宣布正式对 USB 接口提供支持，USB 才真正发展起来（注：在 Win98 之前，Win97 （Win95 OS/2 ）也能支持 USB，不过没有广泛使用。 ）USB1.1 分低速 1.5Mbps 和全速 12Mbps 两种传输
21、速度对于传统接口已是一个较大的提升。而已发布的USB2.0 规范是由 USB1.1 规范演变而来的。它的传输速率达到了 480Mbps，折算为MB 为 60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0 中的“增强主机控制器接口” （EHCI）定义了一个与 USB 1.1 相兼容第 3 页 共 44 页的架构。它可以用 USB 2.0 的驱动程序驱动 USB 1.1 设备。也就是说，所有支持USB 1.1 的设备都可以直接在 USB 2.0 的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像 USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。USB2.0 接口发展到今天已经成为一个相对完善的系统，其数据
22、呑吐能力已能满足现今大部分用户需求。但是随着 PC 及电子技术的发展，USB2.0 的数据传输能力将不在能满足新技术及新产品的要求，USB 的更新换代已成必然。英特尔公司（Intel）和业界领先的公司一起携手组建了 USB 3.0 推广组，旨在开发速度超过当今 10 倍的超高效 USB 互联技术。该技术是由英特尔，以及惠普（HP） 、NEC、NXP 半导体以及德州仪器（Texas Instruments）等公司共同开发的，应用领域包括个人计算机、消费及移动类产品的快速同步即时传输。随着数字媒体的日益普及以及传输文件的不断增大甚至超过 25GB，快速同步即时传输已经成为必要的性能需求。USB 3
23、.0 具有后向兼容标准，并兼具传统 USB 技术的易用性和即插即用功能。该技术的目标是推出比目前连接水平快 10 倍以上的产品，采用与有线 USB 相同的架构。除对 USB 3.0 规格进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外，USB 3.0 的端口和线缆能够实现向后兼容，以及支持未来的光纤传输。英特尔公司成立 USB 3.0 推广组之初就希望 USB 设计学会（USB-IF）可以作为 USB 3.0 规格的行业协会。完整的 USB 3.0 规格有望于 2008 年上半年推出，USB 3.0 初步将采用离散硅的形式。USB 3.0 推广组，包括惠普、英特尔、NEC、NXP 半导体以及德州仪
24、器，致力于保护已有 USB 设备驱动器基础设施和投资、USB 的外观以及方便使用的特性，同时继续发扬 USB 这种卓越技术的功能。1.2.3 USB 设备的应用 3、9今天，计算机通信已经成为当今工业发展的一个重要方向。要想建立这种通信机制并使之在计算机平台上既普遍又易于使用，就意味着必须做到低价格和良好的互连。而 USB 就能够提供将各种计算机与电话互连的无处不在的连接链路。USB 使得即插即用与热插拔成为现实，使用户可以方便迅速地连接计算机的外围设备。USB 的特点是为所有 USB 外设连接计算机提供了一类全球通用的连接器，这些连接器将取代传统的各种外部端口，如串口、游戏接口、并口等，自第
25、 4 页 共 44 页USB Ver1.1 版本推出后，USB 接口得到广泛的应用。可以预见，未来的计算机只有 USB 接口。USB 推出不久，视频会议便成为 USB 的一个非常流行的应用，许多市场上早期应用的 USB 产品是视频摄像机。USB 的即插即用特点使这些摄像头易于安装，人们乐于使用。键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3 随身听等也随之开始应用 USB 接口。由于 USB 的巨大成功，一些著名的大公司纷纷加入 USB 标准制定俱乐部，并推出了 USB 2.0，他与 USB 1.1 兼容，而速度是 USB 1.1 的 40 倍，即达到 480 Mb/s
26、。接口速度的大幅度提高，将使计算机的功能大大增强，使得计算机可以通过 USB 接口接入宽带 Internet，连接高清晰度的数码相机，连接下一代的高速打印机、扫描仪及高速的外存单元。使用 USB 2.0 接口下载一幅画，将从现在的几分钟缩为几秒钟，USB 的数据从硬盘备份只需几分钟，而今天干同样的事需花几个小时。前置 USB 接口是位于机箱前面板上的 USB 扩展接口。目前，使用 USB 接口的各种外部设备越来越多，例如移动硬盘、闪存盘、数码相机等等，但在使用这些设备（特别是经常使用的移动存储设备）时每次都要钻到机箱后面去使用主板板载 USB 接口显然是不方便的。前置 USB 接口在这方面就给
27、用户提供了很好的易用性。目前，前置 USB 接口几乎已经成为机箱的标准配置，没有前置 USB 接口的机箱已经非常少见了。前置 USB 接口要使用机箱所附带的 USB 连接线连接到主板上所相应的前置USB 插针（一般是 8 针、9 针或 10 针，两个 USB 成对，其中每个 USB 使用 4 针传输信号和供电）上才能使用。在连接前置 USB 接口时一定要事先仔细阅读主板说明书和机箱说明书中与其相关的内容，千万不可将连线接错，不然会造成 USB 设备或主板的损坏。另外，使用前置 USB 接口时要注意前置 USB 接口供电不足的问题，在使用耗电较大的 USB 设备时，要使用外接电源或直接使用机箱后部的主板板载 USB 接口，以避免 USB 设备不能正常使用或被损坏。USB 口硬盘盒是目前的主流，其最大优点是使用方便，支持热插拔和即插即用。USB 有两种标准：一种是 USB1.1 接口，其传输速度只有 12Mbps，一种是USB2.0 接口，其传输速度高达 480Mbps。目前的主板上的 USB 都支持 USB1.1，但USB 2.0 只有较新的主板才能支持，购买时根据个人情况选择产品，虽然 USB2.0
