USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為"通串線，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。USB技術(shù)的發(fā)展，使得PC和周邊設(shè)備能夠通過簡單方式、適度的制造成本將各種數(shù)據(jù)傳輸速度的設(shè)備連接在一起，上述我們提到應(yīng)用，都可以通過USB總線，作為PC的周邊，在PC的控制下進行數(shù)據(jù)交換。但這種方便的交換方式，一旦離開了PC,各設(shè)備間無法利用USB口進行操作，因為沒有一個從設(shè)備能夠充當(dāng)PC一樣的Host.On-The-Go,即OTG技術(shù)就是實現(xiàn)在沒有Host的情況下，實現(xiàn)從設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送。例如數(shù)碼相機直接連接到打印機上，通過OTG技術(shù)，連接兩臺設(shè)備見的USB口，將拍出的相片立即打印出來；也可以將數(shù)碼照相機中的數(shù)據(jù)，通過OTG發(fā)送到USB接口的移動硬盤上，野外操作就沒有必要攜帶價格昂貴的存儲卡，或者背一個便攜電腦。

隨著功能豐富的新型半導(dǎo)體器件的高速發(fā)展，同時其價格也隨之達到消費者可以承受的水平，我們正在見證一場家電行業(yè)中的自動化風(fēng)暴。在這些技術(shù)進步中就包括了PC上USB的演化?，F(xiàn)在，我們的日常生活中方方面面都會用到PC機。我們與周圍環(huán)境的互動，很大程度上是通過PC機進行控制的。

此外，從PC的角度看，USB使外圍設(shè)備初始化方面發(fā)生了巨大的變化，不再需要用戶與PC機進行交互或關(guān)注PC機。USB協(xié)議非常智能，它能自動檢測并驅(qū)動多達127個連接在其總線上的設(shè)備?？梢灶A(yù)見，USB將能夠最終控制和驅(qū)動絕大部分家電。

由于USB能實現(xiàn)家電自動化，它對于最終用戶是有用的，包括USB自動洗衣機、烘干機、咖啡機、安保系統(tǒng)以及家電控制臺，如圖1所示。不僅如此，對于家電制造商而言，在新產(chǎn)品測試方面，USB也非常有用。

USB的演化發(fā)展，使得家電的即插即用成為現(xiàn)實，而這促使了操作系統(tǒng)供應(yīng)商對標準USB驅(qū)動程序提供支持。比如說，Microsoft在其Windows操作系統(tǒng)（OS）的各版本中，提供了USB驅(qū)動程序支持，支持諸如人機接口設(shè)備（Human Interface Device,HID）、通信設(shè)備類（Communication Device Class,CDC）和大容量存儲設(shè)備（Mass Storage Device,MSD）驅(qū)動程序。

USB的另一項重要用途與預(yù)付費設(shè)施有關(guān)。比如說，自動洗衣店可以向客戶發(fā)行洗衣卡，洗衣卡可以通過USB端口進行讀取，從而通過USB總線對洗衣機進行控制。USB總線提供了充足的數(shù)據(jù)率，用于記錄設(shè)施數(shù)據(jù)和記錄家電用電量明細。對于具有USB總線的家電而言，這類大容量存儲USB特別適用于數(shù)據(jù)記錄與控制。

USB還可以用在家電的安全使用上。例如，父母能夠通過USB端口對家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒有監(jiān)護人的情況下，孩子無法去操作有潛在危險的家電。

USB總線架構(gòu)

USB總線：為通用串行總線，USB接口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設(shè)在開機狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來127個外設(shè)，傳輸速率可達480MB/S,P它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時可以減少PC機I/O接口數(shù)量。通用串行總線USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標準。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體。

USB是每條總線支持一個主機的一種主機控制架構(gòu)。大部分的PC上都有多個USB主機。設(shè)備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機上。多個集線器能夠以菊花鏈方式連接起來，支持多達127個不同設(shè)備，每個菊花鏈段長度不能超過五英尺。

這種菊花鏈式連接，形成了稱為層式星狀（Tiered Star）的拓撲結(jié)構(gòu)，它與10-Base T以太網(wǎng)類似。與以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)相比，USB有一些優(yōu)點，因為USB集線器能為連接在其上的設(shè)備供電，并在發(fā)生過流現(xiàn)象時關(guān)閉設(shè)備。USB集線器還能適當(dāng)過濾主機和設(shè)備間的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設(shè)備的無縫集成。

USB是即插即用型協(xié)議，能動態(tài)加載和卸載USB驅(qū)動程序。要加載USB驅(qū)動程序，必須有USB提供商標識符（VID）和產(chǎn)品標識符（PID）。

VID用來識別USB總線的制造商。通常，VID由名為"通用串行總線開發(fā)者論壇"（USB Implementers' Forum,USB-IF,www.usb.org）組織分配，申請者需要支付注冊VID費用。與VID類似，PID是一個16位數(shù)字，PID標識的是產(chǎn)品，設(shè)備制造商提供PID號。不同于VID,對于PID來說，USB-IF對其沒有任何管理上的限制。

USB的另一個重要特性是它支持不同類型的數(shù)據(jù)傳輸方式。例如，USB V2.0支持四種不同類型的數(shù)據(jù)傳輸：

◆ 控制傳輸方式。控制傳輸在設(shè)備插入時對其進行配置，并能用于其他的設(shè)備特定用途，諸如對設(shè)備上的其他通道進行控制等。

◆ 批量傳輸方式。在數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和使用量相對較大時采用批量傳輸方式。

◆ 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時且可靠的數(shù)據(jù)傳送。例如，具有人類可感知反應(yīng)或反饋響應(yīng)特征的字符或坐標等。

◆ 同步傳輸方式。同步傳輸方式在預(yù)先約定的傳輸延遲時間占用預(yù)定的USB帶寬，同步傳輸也稱為"流實時傳輸".

A型USB連接器專用于數(shù)據(jù)下行傳輸，即數(shù)據(jù)從設(shè)備傳輸?shù)街鳈C，所以，A型連接器位于設(shè)備上。

B型USB連接器專用于數(shù)據(jù)上行傳輸，即數(shù)據(jù)從USB主機傳輸?shù)皆O(shè)備或從集線器傳輸?shù)皆O(shè)備，B型連接器位于主機和集線器上，如圖2所示。有時為了使占用空間更小，可以使用微型USB連接器。

USB設(shè)備通過拉高D+或D-端線電平來指示其速度，最高為3.3伏。全速設(shè)備在D+端接一個上拉電阻表明它是全速設(shè)備，如圖3所示。

如果沒有上拉電阻，USB就假定總線上沒有連接任何東西。有些設(shè)備中，上拉電阻是內(nèi)置的，能通過固件開啟和關(guān)閉。另一些設(shè)備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過固件進行速度控制會受到限制，并且要求另外對外部中繼服務(wù)進行實現(xiàn)與編碼。

低速設(shè)備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設(shè)備，如圖4所示。最開始，高速設(shè)備被當(dāng)作全速設(shè)備進行連接（D+→1.5k至3.3V）。初始連接之后，設(shè)備在復(fù)位時將發(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設(shè)備經(jīng)初始化進入高速模式，上拉電阻就被禁用。

USB數(shù)據(jù)流模式

主控制器負責(zé)主機和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每個設(shè)備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由0個或多個管道組成，它們分別獨立地在客戶程序和設(shè)備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機軟件的現(xiàn)實需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請求時，主控制器根據(jù)主機軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應(yīng)用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質(zhì)?？刂苽鬏旑愋?，支持外設(shè)與主機之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機之間提供一個控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。

在設(shè)備可以與應(yīng)用進行通信前，USB主機需要了解設(shè)備狀態(tài)并給它分配設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據(jù)USB V2.0規(guī)范的定義，設(shè)備將經(jīng)歷以下設(shè)備狀態(tài)：

◆ 上電狀態(tài)（Powered）

◆ 缺省狀態(tài)（Default）

◆ 地址狀態(tài)（Address）

◆ 配置狀態(tài)（Configured）

另外還有兩個USB設(shè)備狀態(tài)，"連接狀態(tài)"（Attached）和"掛起狀態(tài)"（Suspended）枚舉過程的具體細節(jié)超出了本文的范圍；不過，在設(shè)備配置中使用的命令與結(jié)構(gòu)是相關(guān)的。描述符是讓USB主機能獲取設(shè)備信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在枚舉過程中，主機請求描述符，從最上層設(shè)備描述符開始，一直到最低層端點描述符，順序如圖5所示。

枚舉過程

下面概述一下USB設(shè)備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設(shè)備在枚舉過程如何經(jīng)歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態(tài)。

◆ 用戶將一個USB設(shè)備插入USB端口，主機為端口供電，設(shè)備此時處于上電狀態(tài)。

◆ 主機檢測設(shè)備。

◆ 集線器使用中斷通道將事件報告給主機。

◆ 主機發(fā)送Get_Port_Status（讀端口狀態(tài)）請求，以獲取更多的設(shè)備信息。

◆ 集線器檢測設(shè)備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機，這是對Get_Port_Status請求的響應(yīng)。

◆ 主機發(fā)送Set_Port_Feature（寫端口狀態(tài)）請求給集線器，要求它復(fù)位端口。

◆ 集線器對設(shè)備復(fù)位。

◆ 主機使用Chirp K信號來了解全速設(shè)備是否支持高速運行。

◆ 主機發(fā)送另一個Get_Port_Status請求，確定設(shè)備是否已經(jīng)從復(fù)位狀態(tài)退出。

◆ 設(shè)備此時處于缺省狀態(tài)，且已準備好在零端點通過缺省通道響應(yīng)主機控制傳輸。缺省地址為00h,設(shè)備能從總線獲取高達100mA的電流。

◆ 主機發(fā)送Get_Descriptor（讀設(shè)備描述符）報文，以便確定最大數(shù)據(jù)包大小。設(shè)備描述符的八個字節(jié)是bMaxPacketSize.

◆ 通過發(fā)送Set_Address（寫地址）請求，主機分配地址，設(shè)備此時處于地址狀態(tài)。

◆ 主機發(fā)送Get_Descriptor報文，以獲取更多的設(shè)備信息。主機通過發(fā)送描述符響應(yīng)設(shè)備請求，隨后發(fā)送全部的次級描述符。

◆ 主機分配并加載設(shè)備驅(qū)動程序。

◆ 通過發(fā)送Set_Configuration（寫配置）請求，主機的設(shè)備驅(qū)動程序選擇一個有效配置，設(shè)備此時處于配置狀態(tài)

◆ 主機為復(fù)合設(shè)備接口分配驅(qū)動程序。

◆ 如果集線器檢測到有過流現(xiàn)象，或者主機要求集線器關(guān)閉電源，則USB總線切斷設(shè)備供電電源。在這種情況下，設(shè)備與主機無法通信，但設(shè)備處于連接狀態(tài)。

◆ 如果在3毫秒內(nèi)設(shè)備在總線上未見任何動作，則它將進入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)設(shè)備消耗的總線電能最少。

USB協(xié)議層

控制傳輸使主機和設(shè)備之間可以交換設(shè)備配置信息和其他控制信息?？刂苽鬏斣诘退俸腿賯鬏斶\行時占用10%的帶寬，在高速運行時占用20%的帶寬。控制傳輸由設(shè)置階段、可選的數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段組成，下面詳細描述每個階段的包。

◆ 標記包。USB中所有事務(wù)都是由主機（PC）來完成的。IN表示數(shù)據(jù)被讀入PC,OUT表示數(shù)據(jù)由主機送出至設(shè)備，如圖6所示。

◆ 數(shù)據(jù)包（可選）。USB主機有兩個數(shù)據(jù)包--DATA0和DATA1.每一個包的容量為1024字節(jié)。

◆ 狀態(tài)包。在諸如應(yīng)答（ACK）、否定應(yīng)答（NACK）以及停止（Stall）等事務(wù)中，狀態(tài)包用來跟蹤USB狀態(tài)。

◆ 幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB主機都將發(fā)送一幀SOF,每幀有11位數(shù)據(jù)。

基于USB的家電網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)家電是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能控制技術(shù)設(shè)計改進的新型家電產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)家電可以實現(xiàn)互聯(lián)組成一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時這個家庭網(wǎng)絡(luò)又可以與外部互聯(lián)網(wǎng)相連接?？梢姡W(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)包括兩個層面：首先就是家電之間的互連問題，也就是使不同家電之間能夠互相識別，協(xié)同工作。第二個層面是解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電網(wǎng)絡(luò)真正成為外部網(wǎng)絡(luò)的延伸。要制造出商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)家電，有許多的技術(shù)問題需要解決，這涉及到硬件和軟件兩個方面。硬件主要要解決傳統(tǒng)家電如何和互聯(lián)網(wǎng)連接。軟件要解決采用哪種方案實現(xiàn)通訊，也就是采用什么語言的問題。建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)家電標準平臺是擺在家用電器行業(yè)面前的重大課題。目前國際上有兩家非營利性組織開展這方面的研究，一家是1999年3月成立的開放服務(wù)連接組織（OpenServiceGatewayInitiative,簡稱OSGI組織）、目前有思科、IBM、太陽、惠而浦、摩托羅拉、諾基亞等30余家公司參加，主要是為制定家庭網(wǎng)絡(luò)的標準服務(wù)；另一家是歐洲的Conver?gence項目，它是由歐洲三大家用和建筑電子協(xié)會合作推出的共同合作項目，它將結(jié)合各公司的技術(shù)，形成綜合性的全球網(wǎng)絡(luò)標準，該標準將適用于所有的歐洲家用和商用電器。但不管標準和技術(shù)如何發(fā)展，其必須是具有開發(fā)性的才能有前途。

在基于USB的家電網(wǎng)絡(luò)中，可以以菊花鏈式連接6個USB集線器，為多達127臺家電設(shè)備提供接口。所有的集線器能安放在一個集線盒中，集線盒則通過控制電纜連接到設(shè)備上。這也可以由帶USB端口、運行Windows OS的單板機進行控制，最終將為家中每個房間配備一個家電控制臺。

通過USB自動化，您在與朋友聊天的同時，可以通過PC控制洗衣機的運行時間、衣服類型、清洗劑類型以及水溫等。您也可以為每項任務(wù)添加音頻特征，這樣當(dāng)每項任務(wù)完成時，您可以在某個特定的地方（臥室、客廳、游泳池或廚房等）收到音頻提示。此外，烘干機可以通過USB自動接收指令，從洗衣機處裝入衣服，設(shè)置烘干時間，然后自動計時烘干，在每項任務(wù)成功完成后均有音頻提示。

通過USB自動化，您可以在辦公桌上控制咖啡機，不僅僅是煮咖啡，還能檢測咖啡壺中還剩多少咖啡，USB自動化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB還可以使您看到冰箱內(nèi)部的情況，設(shè)置特定的觸發(fā)開關(guān)來檢測剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據(jù)這些信息，當(dāng)您計劃去商場時，可以從PC中快速匯總食品采購清單。照明自動化是居家的基本需求。通過USB自動化，能夠檢查全屋的照明情況，并通過PC對其進行控制。

USB與溫度傳感器配合使用，能夠自動控制房屋某處電風(fēng)扇和空調(diào)的運行。這樣，可以使不同的房間或"區(qū)域"保持不同的溫度，以便節(jié)能。此外，電風(fēng)扇和空調(diào)可以自動地分擔(dān)制冷負荷。而在家庭安保方面，使用USB自動化，可以通過PC控制門鎖、查看門鎖狀態(tài)，在臥室就可以關(guān)閉或打開房門。

此外，USB自動可視門鈴能用于防止入侵者進入房屋。USB自動化也使您能通過PC打開和關(guān)閉窗戶及窗簾。家電USB自動化的潛力是無窮的，采用現(xiàn)代技術(shù)，USB自動化就是把家電或設(shè)備與PC上USB端口連接，如圖7所示。

超寬帶USB的優(yōu)點

UWB技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。 1 超寬帶信號及其特點 美聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定： 部分帶寬號稱為UWB信號。其中，部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。

超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）USB也稱為"無線USB",它是一種短距離無線通信的推薦標準，有望在不久的將來取代藍牙技術(shù)。藍牙是目前短距離無線連接的行業(yè)標準，但由于藍牙與Wi-Fi（802.11g標準）使用相同的頻段，因此可能存在干擾問題。

另外，UWB使用3.1~10.6GHz的頻段，它的每個無線電信道均超過500MHz,美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission,FCC）對其有嚴格的傳送功率限制。UWB使用了極寬的頻段，同時發(fā)射功率較小，以便窄帶設(shè)備能夠檢測到信號，因此，UWB能與其他的無線通信協(xié)議（如Wi-Fi）共存。

本文討論了基于USB的家電自動化，文中說明了來自Microchip的8位PIC單片機不僅能用于交流家電的控制，也完全可以用于解決數(shù)據(jù)記錄、用于需要類似音頻視流那樣的實時應(yīng)用?；赨SB的家電自動化具有無限的空間，預(yù)計采用USB控制的家電產(chǎn)品將迅速發(fā)展。無線USB的標準化，將促進基于USB的家電自動化，實現(xiàn)高帶寬、低干擾的無線連接。