胡鑫杰

（電子工程學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬測試已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等領(lǐng)域大容量和高精度數(shù)據(jù)測試的客觀需求，大力發(fā)展以計算機為信息處理和控制中心、以模擬前端、ADC和單片機控制系統(tǒng)為測試終端的高速化、小型化、智能化多功能數(shù)字測試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測試技術(shù)研究的重點之一。而計算機與外設(shè)的通信依賴以其豐富的接口資源，常用的PCI接口、ISA接口和RS-232/RS485等總線受到接口體積、插槽數(shù)量、地址、中斷資源和傳輸速率等因素的限制，大大制約計算機的擴展性能和靈活程度。USB的出現(xiàn)為解決這一問題提供了良好的解決方案 。

1 USB通信模塊

USB通信模塊負責(zé)完成PC和測試終端的通信功能，由集成了USB協(xié)議的USB接口芯片來實現(xiàn)。USB接口芯片按照功能可以分為USB主控制器芯片、USB集線器芯片和USB功能設(shè)備芯片 ：USB主控制芯片實現(xiàn)主機和USB設(shè)備間的物理數(shù)據(jù)傳輸；USB集線器芯片負責(zé)將一個上行端口轉(zhuǎn)換為多個下行端口；USB功能設(shè)備芯片完成設(shè)備和主機之間的物理數(shù)據(jù)傳輸。具體流程如圖1所示。

圖1 USB通信模塊

USB主控制器芯片和USB集線器芯片大都集成在計算機的內(nèi)部主板上，一般不需要考慮其開發(fā)設(shè)計。在USB技術(shù)開發(fā)和研究領(lǐng)域中使用最頻繁、應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬USB功能設(shè)備的開發(fā)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和USB協(xié)議的逐步完善，特別是USB OTG（USB On-The-Go）的出現(xiàn)，使得USB主機不再局限于單純的PC，而可以是含有USB主控制器的任何設(shè)備。外設(shè)可以在主機和設(shè)備之間互換角色，這大大簡化了外設(shè)之間的通信。外設(shè)之間可以直接實現(xiàn)點對點通信，而不必完全依賴于計算機了。USB接口芯片的開發(fā)重點也轉(zhuǎn)向了既可以作為主機又可以充當(dāng)從機的雙重角色的復(fù)合式設(shè)備開發(fā)。

2 USB功能設(shè)備芯片

國內(nèi)外生產(chǎn)USB功能設(shè)備芯片的廠商很多，國外主要的生產(chǎn)廠家有Intel、Cypress、Philips和NEC等；國內(nèi)生產(chǎn)商如臺灣的創(chuàng)維、揚智、巨盛和大陸的沁恒等電子公司。隨著PC的普及和USB接口在數(shù)字移動產(chǎn)品中的廣泛使用，越來越多的芯片生產(chǎn)商也加入到了這一行列，微芯和富士通等較大的芯片生產(chǎn)商也都推出了自己USB芯片。當(dāng)前市場常用的USB功能設(shè)備芯片可以分為2大類：一類是不帶MCU單元的單一USB接口控制芯片，如Cypress的SL811HS和Philips的ISP1362等；另一類是集成了MCU單元的微控制器芯片，如Microchip的PIC24FJ256GB110系列和Fujitsu的MB90F330A系列。下面簡單介紹幾款較為典型的USB芯片。

（1）SL811HS

SL811HS是Cypress半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的市場上第一個嵌入式USB主從控制器，支持全速和低速傳輸。SL811HS主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖2所示。處理器接口、終端控制器、RAM緩存和控制寄存器、串行接口引擎、主從控制器、PLL時鐘乘法器以及USB接收器等。在主機模式下，它負責(zé)完成主機與USB外圍設(shè)備的通信；從機模式下，作為一般外設(shè)的USB通信接口 。

圖2 SL811HS內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（2）ISP1362

作為業(yè)內(nèi)主要的USB OTG技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)商，Philips公司一直致力于為市場提供最強大的、最成熟的OTG終端產(chǎn)品。ISP1362是其開發(fā)的一款USB OTG芯片，在數(shù)碼相機、PDA等設(shè)備上應(yīng)用十分廣泛。首個具備USB OTG功能的手持產(chǎn)品——索尼CLIE采用的就是ISP1362芯片，從而實現(xiàn)便攜式產(chǎn)品和移動設(shè)備之間的點對點通信。

ISP1362在單芯片上集成了一個高性能的飛利浦主機控制器（PSHC）和飛利浦ISP1181B外設(shè)控制器（DC）。該OTG控制器完全兼容USB2.0及On-The-Go Supplement 1.0協(xié)議，主機和設(shè)備控制器兼容USB2.0協(xié)議，并支持12Mbit/s和1.5Mbit/s兩種傳輸速率。它的工作電壓為3.3 V，工作時鐘為12MHz，并通過鎖相環(huán)（PLL）有效減少了電磁干擾（EMI）；支持內(nèi)置電源和外部電源兩種供電模式，對于較低功耗的應(yīng)用設(shè)計，可用內(nèi)部的電荷泵激勵器。如果系統(tǒng)功耗較高，則要用外部電源供電。

（3） MB90F330A

MB90330A系列是富士通公司針對PC外設(shè)和數(shù)字家電市場而推出的一款高性能USB OTG芯片。它具有適合用于個人計算機外設(shè)的多種功能，例如顯示器、音頻設(shè)備以及支持 USB 通信的移動設(shè)備等 。該芯片采用了先進的CMOS工藝制造，提供了極為豐富的開發(fā)資源，內(nèi)置16位的MCU，最大存儲空間為16Mbytes，最大I/O為94個，提供包括ADC、I C、UART等在內(nèi)的接口資源，極大程度上滿足了各種開發(fā)的需要。最大工作時鐘為6MHz（USB時為48MHz），并且支持多種工作模式，有效地減少了系統(tǒng)功耗。

3 USB應(yīng)用方案

基于USB的自動測試系統(tǒng)的總體設(shè)計方案大致相同，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示:由傳感器輸出的模擬信號輸入到ADC中轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集過程。微控制器負責(zé)原始數(shù)據(jù)的處理和存儲，然后通過USB接口建立與PC的通信。此方案可以實現(xiàn)2種工作模式：一是在連接計算機的情況下，可以組成以計算機為控制核心，單片機系統(tǒng)為外設(shè)的實時采集系統(tǒng)。上位機通過軟件設(shè)置來驅(qū)動單片機系統(tǒng)工作，單片機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和原始處理后通過USB將測試信息傳輸至PC進行進一步的分析處理并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。并且在此種工作模式下計算機還可以通過USB總線為外設(shè)直接供電而不需要外接電源。二是在脫離計算機的情況下，以單片機為控制核心的微控制系統(tǒng)單獨運行，獨立完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能，并將測試信息保存在存儲設(shè)備上，等數(shù)據(jù)采集工作完成時再將存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算機上顯示、處理。

圖3 基于USB的測試方案框圖

早期的智能測試方案中并沒有采用專用的USB接口控制芯片，而是采用了其它的內(nèi)置USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)采集系統(tǒng)與PC的USB通信。文獻[6]采用了此種方案。通過CP2101來實現(xiàn)串行端口到USB的轉(zhuǎn)變，在計算機內(nèi)部虛擬一個COM口，用戶就可以按照通用串行接口的控制方式來使用COM口。對于微機系統(tǒng)它是COM3或COM4，對于單片微機或其它信號處理單元，它是一個簡單的I/O端口 。此種方案雖然簡單方便，但并沒有實現(xiàn)真正意義上的USB傳輸，在傳輸速率上受到串口速率的限制，不能夠滿足高速數(shù)據(jù)測試的要求。文獻[7]中也采用了類似方案，將IrDA設(shè)備通過串口紅外收發(fā)器與MCU連接， MCU通過USB轉(zhuǎn)RS232串口橋控制器實現(xiàn)與計算機的USB通信功能 。

目前，更多的開發(fā)人員選擇專用的USB接口控制芯片來實現(xiàn)測試終端與計算機的通信功能。主/從功能的USB控制芯片的出現(xiàn)使得USB技術(shù)在自動測試系統(tǒng)應(yīng)用中有了更加廣闊的空間。因此，基于USB的智能測試終端不僅僅局限于USB從機的角色，越來越多的嵌入式USB主機控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于智能測試系統(tǒng)中。這一技術(shù)非常適用于那些不方便現(xiàn)場作業(yè)或?qū)崟r采集的場合，USB芯片可以將大量數(shù)據(jù)通過其主機功能保存到U盤等海量存儲設(shè)備上，即解決了以往的數(shù)據(jù)存儲容量不足的問題又方便實用。

文獻[8]中選用了Cypress的SL811HS作為USB接口芯片，給出了其設(shè)計方案，如圖4所示，并詳細介紹了整個開發(fā)和調(diào)試過程。文獻[9]同樣采用SL811HS作為USB接口芯片設(shè)計了震動信號的檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了MCU對U盤的讀寫功能 。

圖4 SL811HS 設(shè)計方案

以上列舉2個方案的優(yōu)點是開發(fā)人員可以根據(jù)設(shè)計需要靈活選擇USB接口芯片和主控制器，能夠最大限度地節(jié)約硬件資源，也方便后續(xù)開發(fā)的更新?lián)Q代。缺點是開發(fā)人員必須要考慮主控制器與USB接口芯片的電平轉(zhuǎn)換和通信接口等問題，為設(shè)計增加了難度。隨著USB技術(shù)的成熟和應(yīng)用的普及，現(xiàn)在很多單片機內(nèi)部都集成了USB控制器。內(nèi)置MCU單元的USB控制芯片的使用大大簡化外圍電路的設(shè)計和程序的開發(fā)。文獻[10]就是采用內(nèi)置MCU單元的USB接口芯片MB90334，設(shè)計了機車電表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了嵌入式USB主機對USB移動設(shè)備的讀寫功能 。

基于USB技術(shù)的智能測試系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，隨著USB技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。 USB3.0標(biāo)準(zhǔn)已于2008年11月正式發(fā)布， 在保留USB2.0智能主機和簡單外設(shè)模式的基礎(chǔ)上，增加了超高速傳輸構(gòu)架，大大提高了傳輸速率，最高傳輸速率可達5Gps。在硬件產(chǎn)品方面，NEC公司已經(jīng)率先推出了世界上第一款USB3.0主控制器芯片μPD720200 。富士通公司也于2009年7月27日宣布推出業(yè)界領(lǐng)先的USB3.0-SATA橋接芯片MB86C30A,該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)外置存儲器件（如磁盤驅(qū)動器HDD）和PC之間高達5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸 。

除有線領(lǐng)域之外，USB技術(shù)在無線電領(lǐng)域也有延伸。WUSB（Wireless USB）的出現(xiàn)進一步擴展了USB技術(shù)在計算機接口的應(yīng)用范圍，同時也對目前較為常用的幾種短距離通信技術(shù)（紅外、藍牙和WiFi等）提出了挑戰(zhàn)。其數(shù)據(jù)傳輸速率完全不亞于USB2.0，最高可達480Mbps,未來的WUSB數(shù)據(jù)傳輸速率有可能增加到1Gbps。因此,伴隨著新的USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和高性能控制芯片的出現(xiàn)，智能測試系統(tǒng)在總線選擇上，完全可以根據(jù)需要考慮性能更好的USB3.0以提高系統(tǒng)的傳輸速率，或者采用WUSB擺脫有線的束縛。

4 結(jié)束語

USB總線即插即用和高速穩(wěn)定的特點使它非常適合于作為測試終端和計算機通信的接口。目前市場上很多的智能儀表和測試設(shè)備都采用USB總線，并且在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。隨著USB協(xié)議的不斷完善和升級，USB總線的性能將進一步提高，其在智能測試系統(tǒng)中的應(yīng)用也會更加廣泛。

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[11]http://www.necel.com/usb/en/product/upd720200.html

[12]http://www.fujitsu.com/cn/news/archives/2009/fmc_0727.html