B型USB连接器

图 2
USB设备通过拉高D+或D-端线电平来指示其速度，最高为3.3伏。全速设备在D+端接一个上拉电阻表明它是全速设备，如图3所示。
如果没有上拉电阻， USB就假定总线上没有连接任何东西。有些设备中，上拉电阻是内置的，能通过固件开启和关闭。另一些设备则需要外部上拉电阻。在这种情况下，通过固件进行速度控制会受到限制，并且要求另外对外部中继服务进行实现与编码。
低速设备在D-端连接上拉电阻，表明其为低速设备，如图4所示。
最开始，高速设备被当作全速设备进行连接（D+→1.5k至3.3V）。初始连接之后，设备在复位时将发出高速的啁啾声，然后与主机建立高速连接。一旦设备经初始化进入高速模式，上拉电阻就被禁用。
USB数据流模式：枚举
在设备可以与应用进行通信前，USB主机需要了解设备状态并给它分配设备驱动程序。实现这一初始信息交换的过程就叫作枚举。在枚举过程中，根据USB V2.0规范的定义，设备将经历以下设备状态：
1. 上电状态（Powered）
2. 缺省状态（Default）
3. 地址状态（Address）
4. 配置状态（Configured）
另外还有两个USB设备状态，“连接状态”（attached）和“挂起状态”（suspended）。枚举过程的具体细节超出了本文的范围；不过，在设备配置中使用的命令与结构是相关的。
描述符是让USB主机能获取设备信息的数据结构。在枚举过程中，主机请求描述符，从最上层设备描述符开始，一直到最低层端点描述符，顺序如图5所示。
枚举过程
下面概述一下USB设备的枚举过程所包含的步骤，并讲解设备在枚举过程如何经历从上电到缺省、地址以及配置这几个状态。
1. 用户将一个USB设备插入USB端口。主机为端口供电，设备此时处于上电状态。
2. 主机检测设备。
3. 集线器使用中断通道将事件报告给主机。
4. 主机发送Get_Port_Status（读端口状态）请求，以获取更多的设备信息。
5. 集线器检测设备是低速运行还是高速运行，并将此信息送给主机，这是对Get_Port_Status请求的响应。
6. 主机发送Set_Port_Feature（写端口状态）请求给集线器，要求它复位端口。
7. 集线器对设备复位。
8. 主机使用Chirp K信号来了解全速设备是否支持高速运行。
9. 主机发送另一个Get_Port_Status请求，确定设备是否已经从复位状态退出。
10. 设备此时处于缺省状态，且已准备好在零端点通过缺省通道响应主机控制传输。缺省地址为00h，设备能从总线获取高达100mA的电流。
11. 主机发送Get_Descriptor（读设备描述符）报文，以便确定最大数据包大小。设备描述符的八个字节是bMaxPacketSize。
12. 通过发送Set_Address（写地址）请求，主机分配地址，设备此时处于地址状态。
13. 主机发送Get_Descriptor报文，以获取更多的设备信息。主机通过发送描述符响应设备请求，随后发送全部的次级描述符。
14. 主机分配并加载设备驱动程序。
15. 通过发送Set_Configuration（写配置）请求，主机的设备驱动程序选择一个有效配置。设备此时处于配置状态。
16. 主机为复合设备接口分配驱动程序。
17. 如果集线器检测到有过流现象，或者主机要求集线器关闭电源，则USB总线切断设备供电电源。在这种情况下，设备与主机无法通信，但设备处于连接状态。
18. 如果在3毫秒内设备在总线上未见任何动作，则它将进入挂起状态，在挂起状态设备消耗的总线电能最少。
USB 协议层
控制传输使主机和设备之间可以交换设备配置信息和其他控制信息。控制传输在低速和全速传输运行时占用10%的带宽，在高速运行时占用20%的带宽。控制传输由设置阶段、可选的数据阶段和状态阶段组成。下面详细描述每个阶段的包。
1. 标记包。USB中所有事务都是由主机（PC）来完成的。IN表示数据被读入PC，OUT表示数据由主机送出至设备，如图6所示。
2. 数据包（可选）。USB主机有两个数据包——DATA0和DATA1。每一个包的容量为1024字节。
3. 状态包。在诸如应答（ACK）、否定应答（NACK）以及停止（Stall）等事务中，状态包用来跟踪USB状态。
4. 帧起始包（SOF）。每一毫秒，USB主机都将发送一帧SOF，每帧有11位数据。
基于 USB 的家电网络
在基于USB的家电网络中，可以以菊花链式连接6个USB集线器，为多达127台家电设备提供接口。所有的集线器能安放在一个集线盒中，集线盒则通过控制电缆连接到设备上。这也可以由带USB端口、运行Windows OS的单板机进行控制，最终将为家中每个房间配备一个家电控制台。
通过USB自动化，您在与朋友聊天的同时，可以通过PC控制洗衣机的运行时间、衣服类型、清洗剂类型以及水温等。您也可以为每项任务添加音频特征，这样当每项任务完成时，您可以在某个特定的地方（卧室、客厅、游泳池或厨房等）收到音频提示。
此外，烘干机可以通过USB自动接收指令，从洗衣机处装入衣服，设置烘干时间，然后自动计时烘干，在每项任务成功完成后均有音频提示。
通过USB自动化，您可以在办公桌上控制咖啡机，不仅仅是煮咖啡，还能检测咖啡壶中还剩多少咖啡。USB自动化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。
USB还可以使您看到冰箱内部的情况，设置特定的触发开关来检测剩余的牛奶、饮料、奶酪以及蔬菜量。根据这些信息，当您计划去商场时，可以从PC中快速汇总食品采购清单。
照明自动化是居家的基本需求。通过USB自动化，能够检查全屋的照明情况，并通过PC对其进行控制。
USB与温度传感器配合使用，能够自动控制房屋某处电风扇和空调的运行。这样，可以使不同的房间或“区域”保持不同的温度，以便节能。此外，电风扇和空调可以自动地分担制冷荷合。
而在家庭安保方面，使用USB自动化，可以通过PC控制门锁、查看门锁状态，在卧室就可以关闭或打开房门。
此外，USB自动可视门铃能用于防止入侵者进入房屋。USB自动化也使您能通过PC打开和关闭窗户及窗帘。
家电USB自动化的潜力是无穷的。采用现代技术，USB自动化就是把家电或设备与PC上USB端口连接，如图7所示。
演示：基于 USB 的照明自动化
本演示将展示交流照明的USB自动化，使用的是MCHPUSB.SYS，这是Microchip开发的USB驱动程序。此外，使用MCHPUSB.SYS驱动程序可以通过PC的图形用户界面（GUI）看到电灯的状态。
演示：USB 数据记录器
数据记录，对于家电制造商验证新产品设计，以及在向用户发货之前进行自动化家电设备测试，是非常重要的。
从消费者的角度看，数据记录也很重要；因为，可以预见，许多未来的家电产品都将具有储值卡激活系统，它要求用户进行登录以便使用家电。有了数据记录功能，储值卡在余额用完时，能够将设备锁定。
本演示使用Microsoft的USBSTOR.SYS驱动程序来操作被当作大容量存储设备使用的PIC18F4550单片机。USBSTOR.SYS是Windows操作系统自带的大容量存储设备驱动程序。在Microchip的嵌入式 FAT16 文件系统的协助下，USBSTOR.SYS驱动程序在Secure Digital卡上创建文件，用来记录模数转换数据。然后，把记录的数据存放在SD卡上一个叫做DATALOG.TXT的文本文件中。
演示：USB 音频视频应用
本演示将展示Microchip USB PIC®单片机播放实时音频视频流的能力。演示将证实PIC器件不仅非常适用于嵌入式控制，也适用于含有音频视频信息的应用，如可视门铃等。
超宽带（UWB）USB的优点
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）USB也称为“无线USB”，它是一种短距离无线通信的推荐标准，有望在不久的将来取代蓝牙技术。
蓝牙是目前短距离无线连接的行业标准。然而，由于蓝牙与Wi-Fi（802.11g标准）使用相同的频段，因此可能存在干扰问题。
另一方面，UWB使用3.1-10.6GHz的频段，它的每个无线电信道均超过500MHz，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）对其有严格的传送功率限制。
UWB使用了极宽的频段，同时发射功率较小，以便窄带设备能够检测到信号。因此，UWB能与其他的无线通信协议（如Wi-Fi）共存。
无线技术比较
技术 数据率 (Mb/s) 距离（英尺） 频率(GHz)
UWB 50-100 500 3.1-10.7
蓝牙 0.8-1.0 30 2.4
ZigBee 0.02-0.2 20-25 2.4
802.11g 54 100 2.4