USB通信技术有哪些应用方案及设计？

USB(Universal Serial Bus)是一种常用的数字通信接口，广泛用于计算机和外围设备之间的数据传输。在嵌入式系统中，使用USB接口可以实现高速数据传输和通信，方便与计算机进行连接和控制。本文将介绍如何在STM32微控制器上实现USB接口的应用，具体包括USB设备和USB主机功能。

USB设备功能

1. USB设备通信：使用STM32作为USB设备，可以通过USB接口与计算机进行通信，实现数据的收发和控制命令的交互。

2. USB设备驱动程序：STM32提供了相应的USB库，可以轻松地开发USB设备驱动程序，以实现设备与计算机的连接和控制。

3. USB虚拟串口：可以将STM32配置为USB虚拟串口，使其与计算机之间直接通信，无需使用额外的串口转换设备。

4. USB设备加电检测：STM32的USB接口可以检测到设备是否被计算机加电，并能相应地调整设备的工作状态。

USB主机功能

1. USB主机通信：STM32作为USB主机，可以控制和管理连接到USB接口的外部设备，实现数据传输、配置和控制等功能。

2. USB主机驱动程序：STM32提供了相应的USB库，可以方便地开发USB主机驱动程序，实现对外部设备的控制和管理。

3. USB设备识别：STM32可以检测到连接到USB接口的外部设备，并能够识别设备的类型和功能。

4. USB主机模式选择：STM32支持多种USB主机模式，包括扩展主机模式、OTG主机模式等，以满足不同应用场景的需求。

USB是目前电子产品最通用的一种接口，USB电路的设计包含了众多有趣的点。

比如有的芯片直接集成USB控制器，并且可以支持USBOTG功能。我们可以根据产品的实际需求将USB或者USBOTG接口电路设计成采用MicroUSBAB型座子或者USB-TYPE-C接口。更复杂一点，USB电路通常又可以作为供电输入，那又可以设计成根据接入的设备自动切换电源状态。

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，而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s.这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能。USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB接口理论上可以连接127个USB设备。连接方式也十分灵活，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接口相接。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。

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，不能直接用于象CCD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

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 Telecom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。

USB的主要优点：

l 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。

l 速度快。USB支持三种设备传输速率：1.5 Mb/s(低速设备)、12 Mb/s(中速设备)和480 Mb/s(高速设备)。

l 独立供电。USB接口提供了内置电源。

l 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。

l 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。

现在满足USB要求的外设有：调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软驱，扫描仪，音箱等。USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点，USB也可以做生产ISDN以及基于视频的产品。USB 总线结构简单，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)凭借其价格低廉、使用简单、协议灵活、接口标准化和易于端口扩展等优点,迅速占领了计算机外设接口领域的统治地位,随着USB技术的广泛应用,它在数据通信方面发挥了巨大的作用,而且随着IP核的日益丰富,如何提高IP核的重用性,将不同的IP核有效的互连起来,缩短设计周期成了IC设计领域的研究热点。因此本文设计实现了MCU&USB设备控制器IP核。该设计综合了对设计者两方面能力的要求,ASIC体系设计的能力和通信协议理解分析的能力,除具有较强的理论研究意义,也具有较高的实践价值。本文首先简单分析了通用串行总线USB(Universal Serial Bus)的产生、发展和USB设备国内外研究状况以及MCU(Microprocessor Control Unit)的国内外发展状况。鉴于目前单片机技术火的一塌糊涂!越来越多的朋友加入了学习单片机的行列中!还有更多的朋友正在准备加入到学习单片机行列中。很多初学者在购买了本站的硬件学习板后，在短期内就掌握了自主编写实用控制程序的能力，正所谓只要功夫深，铁杵磨成针。

这里要先说一下单片机的含义，单片机就是一种微型的计算机，它的硬件等级不高，程序存储器比较小，无法和我们个人电脑中的硬盘相比，但是他的整体成本很低，体积也很小，这就给电子工程师提供了一个低成本开发智能控制设备的可能。另外就是它的可塑性是很强的，只要把程序存储器中写入不同的程序，它就会根据不同的程序来完成不同的工作。

比如我们要控制洗衣机的完成一个智能控制洗衣流程(不采用简单的机械定时器)，从成本角度讲，虽然个人电脑性能强大，但是不能采用，因为一台个人电脑的体积成本都太过了，此时用“单片机+顺序控制程序+接口电路+执行电路”就是最好的解决方案了，这等于在洗衣现场有一个小小的电脑在控制着整个洗衣过程，单片机是现代全自动洗衣机的核心部分，它的应用大大减低了人的劳动强度。从这个简单的例子中，我们就可以看到单片机的实际意义了!小到温度智能控制，中到通讯控制，大到生产流程控制，都可以见到它的身影。应用范围绝对广泛，只要编写好不同的程序。单片机就可以完成不同的控制工作。这样，我们通过编写不同的控制程序就可以实现器件的万能化!

大致可以通过这些步骤来完成实验及开发工作：

第一步：通过软件编译平台开始写我们的试验程序，这就好比写文章要有笔和纸一样，最常用的是KEIL软件平台，比如点亮一个发光管，点亮多个发光管，点亮流水灯，驱动继电器，驱动数码管......，学用写源程序有2个重点，重点1是学会在KEIL中写源程序，就和用记事本软件编辑文字一样，重点2是学会把写好的源程序通过KEIL软件平台编译成为单片机可以读懂的由0和1构成的机器码，为了简化，通常是生成16进制的*.HEX或者*.BIN文件，不过本质还是0和1。在这里，源程序我们能读懂，但是单片机不能读懂，所以需要把源程序通过编译器编译成最终的*.HEX或者*.BIN文件。在这里，编译平台充当的是一个语言翻译官的角色!

第二步：制作或者购买一个编程器(也有人叫它为烧写器)。

注意，编程器的作用是把我们编译好的机器码文件写入到单片机的程序存储器中，这个设备的作用就好比我们给一个没有记忆的人灌输记忆。通过程序被写入，单片机中就被灌输了我们的设计思想或者是某种控制流程。编程器和单片机可以支持的文件是16进制的，文件属性一般为*.HEX或者*.BIN，它们的本质是二进制，也就是1和0。编程器只是一种写入设备，而源程序还是要由我们来编写和创造的!

第三步：制作或者购买一个实验板，它的作用是完成最终的硬件驱动效果验证。这就好比把一个已经灌输了我们设计思想的单片机连上躯体和四肢，看看这个完整的，已经具备了“头脑+思想+四肢”的设备是不是能真的动起来，动起来的时候看看它的动作是不是和我们设计的程序完全一致?如果不一致就说明我们给他设计的“思想”可能存在问题!此时就需要用编程器中的“擦除”操作给单片机“洗脑”，并且修改程序，然后再次写入和看验证结果。

比如我们用软件写了一个流水灯程序，通过什么来验证它是否可以真正的驱动硬件呢?答案就是实验板。

也许有人会问，为什么没有提到仿真器?因为以前专业化的仿真器太贵了!大家一般都承受不了!

仿真器是做什么的呢?它的作用是调试我们的程序用的，比如我们的程序有100行，假设代表了10个驱动硬件的动作，这时候如果有仿真器的话，我们可以让这10个动作一个个的执行，同时能够观察到在执行这10个动作的过程中，单片机内部的各单元状态是什么样的!也就是可以细致的分析一下整个程序在硬件中的具体工作过程。这样我们就可以了解程序中是不是有问题存在，所以叫做仿真!

仿真分为硬件仿真和软件仿真二种，软件仿真是完全虚拟的，比较抽象，初学者理解起来比较困难。硬件仿真方面，如果硬件仿真器连接了目标设备，就可以看到驱动硬件的效果，还是比较实用的。