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usb基础知识及通讯协议.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.26M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    串口通信协议 什么是串口 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线 Universal SerialBus 或者 USB 混淆）。大多数计算机包含两个基于 RS232 的串口。串口同时 也是仪器仪表设备通用的通信协议 ；很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS-232 口。同时， 串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（b yte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数 据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如 IEEE488 定义并行通行状态时，规定 设备线总常不得超过 20 米，并且任意两个设备间的长度不得超过 2 米；而对于串口 而言，长度可达 1200 米。 典型地，串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用 3 根线完成：（1）地线，（2） 发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另 一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波 特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配 ： a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例 如 300 波特表示每秒钟发送 300 个 bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率 例如如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是 4800Hz。这意味着串口通信在数据线 上的采样率为 4800Hz。通常电话线的波特率为 14400，28800 和 36600。波特率可 以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比 。高波特率常常用于放置的很近的仪器 间的通信，典型的例子就是 GPIB 设备的通信。 b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实 际的数据不会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息 。 比如，标准的 ASCII 码是 0～127（7 位）。扩展的 ASCII 码是 0～255（8 位）。如 果数据使用简单的文本（标准 ASCII 码），那么每个数据包使用 7 位数据。每个包是 指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信 协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。 c，停止位：用于表示单个包的最后一位 。典型的值为 1，1.5 和 2 位。由于数据 是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟 ，很可能在通信中两台设备间 出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束 ，并且提供计算机校正时 钟同步的机会。适用于停止位的位数越多 ，不同时钟同步的容忍程度越大 ，但是数据 传输率同时也越慢。 d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式 。有四种检错方式：偶、奇、 高和低。当然没有校验位也是可以的 。对于偶和奇校验的情况 ，串口会设置校验位（数 据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位 。例如，如果 数据是 011，那么对于偶校验，校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇 校验，校验位位 1，这样就有 3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据 ，简单置
    位逻辑高或者逻辑低校验 。这样使得接收设备能够知道一个位的状态 ，有机会判断是 否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。 RS-232 RS-232 什么是 RS-232 RS-232 RS-232（ANSI/EIA-232 标准）是 IBM-PC 及其兼容机上的串行连接标准 。可用 于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者 Modem，同时也可以接工业仪器仪表。用 于驱动和连线的改进，实际应用中 RS-232 的传输长度或者速度常常超过标准的值 。 RS-232 只限于 PC 串口和设备间点对点的通信。RS-232 串口通信最远距离是 50 英 尺。 DB-9 针连接头 ------------- \ 1 2 3 4 5 / \ 6 7 8 9 / ------- 从计算机连出的线的截面。 RS-232 针脚的功能： 数据： TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data) RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data) 握手： RTS（pin 7）：发送数据请求(Request CTS（pin 8）：清除发送(Clear to Send) DSR（pin 6）：数据发送就绪(Data Send Ready) DCD（pin 1）：数据载波检测(Data Carrier Detect) DTR（pin 4）：数据终端就绪(Data Terminal Ready) 地线： GND（pin 5）：地线 其他 RI（pin 9）：铃声指示 to Send) RS-422 RS-422 什么是 RS-422 RS-422 RS-422（EIA RS-422-AStandard）是 Apple 的 Macintosh 计算机的串口连接标 准。RS-422 使用差分信号，RS-232 使用非平衡参考地的信号 。差分传输使用两根线 发送和接收信号，对比 RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环 境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。 RS-485 RS-485 什么是 RS-485 RS-485 RS-485（EIA-485 标准）是 RS-422 的改进，因为它增加了设备的个数，从 10 个增加到 32 个，同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号
    电压。有了多个设备的能力，你可以使用一个单个 RS-422 口建立设备网络。出色抗 噪和多设备能力，在工业应用中建立连向 PC 机的分布式设备网络、其他数据收集控 制器、HMI 或者其他操作时，串行连接会选择 RS-485。RS-485 是 RS-422 的超集， 因此所有的 RS-422 设备可以被 RS-485 控制。RS-485 可以用超过 4000 英尺的线进 行串行通行。 DB-9 引脚连接 ------------- \ 1 2 3 4 5 / \ 6 7 8 9 / ------- 从计算机连出的线的截面。 RS-485 和 RS-422 的引脚的功能 数据：TXD+（pin 8），TXD-（pin 9），RXD+（pin 4），RXD-（pin 5） 握手：RTS+（pin 3），RTS-（pin 7），CTS+（pin 2），CTS-（pin 6） 地线：GND （pin 1） 什么是握手 RS-232 通行方式允许简单连接三线 ：Tx、Rx 和地线。但是对于数据传输，双方 必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够 ，但 是对于接收方过载的情况这种使用受到限制 。这时需要串口的握手功能 。在这一部分， 我们讨论三种最常用的 RS-232 握手形式：软件握手、硬件握手和 Xmodem。 a，软件握手：我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字 符的情况，类似于 GPIB 使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根：Tx，Rx 和 地线，因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别 ，函数 SetXModem 允许用户使 能或者禁止用户使用两个控制字符 XON 和 OXFF。这些字符在通信中由接收方发送 ， 使发送方暂停。 例如：假设发送方以高波特率发送数据。在传输中，接收方发现由于 CPU 忙于 其他工作，输入 buffer 已经满了。为了暂时停止传输，接收方发送 XOFF，典型的值 是十进制 19，即十六进制 13，直到输入 buffer 空了。一旦接收方准备好接收，它发 送 XON，典型的值是十进制 17，即十六进制 11，继续通信。输入 buffer 半满时，L abWindows 发送 XOFF。此外，如果 XOFF 传输被打断，LabWindows 会在 buffer 达到 75％和 90％时发送 XOFF。显然，发送方必须遵循此守则以保证传输继续。 b，硬件握手：第二种是使用硬件线握手 。和 Tx 和 Rx 线一样，RTS/CTS 和 DT to R/DSR 一起工作，一个作为输出，另一个作为输入 。第一组线是 RTS（Request Send）和 CTS（Clear toSend）。当接收方准备好接收数据 ，它置高 RTS 线表示它 准备好了，如果发送方也就绪，它置高 CTS，表示它即将发送数据。另一组线是 DT R（DataTerminal Ready）和 DSR（Data SetReady）。这些现主要用于 Modem 通 信。使得串口和 Modem 通信他们的状态。例如：当 Modem 已经准备好接收来自 P C 的数据，它置高 DTR 线，表示和电话线的连接已经建立。读取 DSR 线置高，PC
    机开始发送数据。一个简单的规则是 DTR/DSR 用于表示系统通信就绪，而 RTS/CT S 用于单个数据包的传输。 在 LabWindows，函数 SetCTSMode 使能或者禁止使用硬件握手 。如果 CTS 模 式使能，LabWindows 使用如下规则： 当 PC 发送数据： RS-232 库必须检测 CTS 线高后才能发送数据。 当 PC 接收数据： 如果端口打开，且输入队列有空接收数据，库函数置高 RTS 和 DTR。 如果输入队列 90％满，库函数置低 RTS，但使 DTR 维持高电平。 如果端口队列近乎空了，库函数置高 RTS，但使 DRT 维持高电平。 如果端口关闭，库函数置低 RTS 和 DTR。 c，XModem 握手：最后讨论的握手叫做 XModem 文件传输协议。这个协议在 M odem 通信中非常通用。尽管它通常使用在 Modem 通信中，XModem 协议能够直接 在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在 LabWindows 中，实际的 XModem 应用 对用户隐藏了。只要 PC 和其他设备使用 XModem 协议，在文件传输中就使用 Lab Windows 的 XModem 函数。函数是 XModemConfig，XModemSend 和 XModemRe ceive。 XModem 使用介于如下参数的协议：start_of_data、end_of_data、neg_ack、w ait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。这些参数需要通信双方认定，标 准的 XModem 有一个标准的定义 ：然而，可以通过 XModemConfig 函数修改，以满 足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符 neg_ack 确定。这通知发送 方其准备接收数据。它开始尝试发送，有一个超时参数 start_delay；当超时的尝试超 过 max_ties 次数，或者收到接收方发送的 start_of_data，发送方停止尝试。如果从 发送方收到 start_of_data，接收方将读取后继信息数据包 。包中含有包的数目、包数 目的补码作为错误校验、packet_size 字节大小的实际数据包，和进一步错误检查的 求和校验值。在读取数据后，接收方会调用 wait_delay，然后想发送方发送响应 。如 果发送方没有收到响应 ，它会重新发送数据包 ，直到收到响应或者超过重发次数的最 大值 max_tries。如果一直没有收到响应，发送方通知用户传输数据失败。 由于数据必须以 pack_size 个字节按包发送 ，当最后一个数据包发送时，如果数 据不够放满一个数据包，后面会填充 ASCII 码 NULL（0）字节。这导致接收的数据 比原数据多。在 XModem 情况下一定不要使用 XON/XOFF，因为 XModem 发送方发 出包的数目很可能增加到 XON/OFF 控制字符的值，从而导致通信故障。
    【USBUSBUSBUSB 的简述】 USB 是英文 Universal Serial BUS 的缩写，中文含义是““““通用串行总线””””。它不 是一种新的总线标准，而是应用在 PC 领域的接口技术。USB 是在 1994 年底由英特 尔、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地 应用。从 1994 年 11 月 11 日发表了 USB V0.7 版本以后，USB 版本经历了多年的 发展，到现在已经发展为 2.0 版本，成为目前电脑中的标准扩展接口 。目前主板中主 要是采用 USB1.1 和 USB2.0，各 USB 版本间能很好的兼容。USB 用一个 4 针插头 作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来 ，最多可以连接 127 个外 部设备，并且不会损失带宽。USB 需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持 才能工作。目前的主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯片组，主板上也安装有 U SB 接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有 USB 插针，可以通过连线 接到机箱前面作为前置 USB 接口以方便使用（注意，在接线时要仔细阅读主板说明 书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏）。而且 USB 接口还可以通过专门的 U SB 连机线实现双机互连，并可以通过 Hub 扩展出更多的接口。USB 具有传输速度快 （USB1.1 是 12Mbps，USB2.0 是 480Mbps, USB3.0 是 5 Gbps），使用方便，支 持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪 、摄 像头、闪存盘、MP3 机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB 网卡、AD SL Modem、Cable Modem 等，几乎所有的外部设备。 USB 是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB 接口 支持设备的即插即用和热插拔功能。 USB 接口可用于连接多达 127 种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB 自 从 1996 年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的 必配的接口之一。 USBUSBUSBUSB 的版本 第一代：USB 1.0/1.1 的最大传输速率为 12Mbps。1996 年推出。 第二代：USB 2.0 的最大传输速率高达 480Mbps。USB 1.0/1.1 与 USB 2.0 的 接口是相互兼容的。 第三代：USB 3.0 最大传输速率 5Gbps, 向下兼容 USB 1.0/1.1/2.0 usbusbusbusb 的应用:::: 随着计算机硬件飞速发展 ，外围设备日益增多 ，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 随身听接踵而至，这么多的设备，如 何接入个人计算机？USB 就是基于这个目的产生的。USB 是一个使计算机周边设备 连接标准化、单一化的接口，其规格是由 Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Micr osoft、Northern Telecom 联系制定的。 USB1.1 标准接口传输速率为 12Mbps，但是一个 USB 设备最多只可以得到 6Mb ps 的传输频宽。因此若要外接光驱,至多能接六倍速光驱，无法再高。而若要即时播 放 MPEG-1 的 VCD 影片,至少要 1.5Mbps 的传输频宽,这点 USB 办得到,但是要完成
    数据量大四倍的 MPEG-2 的 DVD 影片播放，USB 可能就很吃力了，若再加上 AC-3 音频数据，USB 设备就很难实现即时播放了。 一个 USB 接口理论上可以支持 127 个装置，但是目前还无法达到这个数字。其 实，对于一台计算机，所接的周边外设很少有超过 10 个的，因此这个数字是足够我 们使用的。 USB 还有一个显著优点就是支持热插拔，也就是说在开机的情况下，你也可以 安全地连接或断开 USB 设备，达到真正的即插即用。 不过，并非所有的 Windows 系统都支持 USB。目前，Windows 系统中有许多不 同的版本，在这些版本中，只有 Windows98 以上版本的系统对 USB 的支持较好，而 其他的 Windows 版本并不能完整支持 USB。例如 Windows95 的零售版是不支持 US B 的，只有后来与 PC 捆绑销售的 Windows95 版本才支持 USB。 目前 USB 设备虽已被广泛应用，但比较普遍的却是 USB1.1 接口，它的传输速 度仅为 12Mbps。举个例子说，当你用 USB1.1 的扫描仪扫一张大小为 4M 的图片， 需要四秒钟之久。 这样的速度，让用户觉得非常不方便，如果有好几张图片要扫的 话，就得要有很好的耐心来等待了。 用户的需求，是促进科技发展的动力，厂商也同样认识到了这个瓶颈。这时， COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC 和 PHILIPS 这 7 家 厂商联合制定了 USB 2.0 接口标准。USB 2.0 将设备之间的数据传输速度增加到 了 480Mbps，比 USB 1.1 标准快 40 倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味 着用户可以使用到更高效的外部设备 ，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接 到 USB 2.0 的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。 所以，如果你用 USB 2.0 的扫描仪，就完全不同了，扫一张 4M 的图片只需半 秒钟左右的时间，一眨眼就过去了，效率大大提高。 而且，USB2.0 可以使用原来 USB 定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相 同，在高速的前提下一样保持了 USB 1.1 的优秀特色，并且，USB 2.0 的设备不会 和 USB 1.X 设备在共同使用的时候发生任何冲突。 USB2.0 兼容 USB1.1，也就是说 USB1.1 设备可以和 USB2.0 设备通用，但是这 时 USB2.0 设备只能工作在全速状态下(12Mbit/s)。USB2.0 有高速、全速和低速三种 工作速度，高速是 480Mbit/s，全速是 12Mbit/s，低速是 1.5Mbit/s。其中全速和低速 是为兼容 USB1.1 和 USB1.0 而设计的，因此选购 USB 产品时不能只听商家宣传 US B2.0,还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。USB 总线是一种单向总线，主控制器 在 PC 机上，USB 设备不能主动与 PC 机通信。为解决 USB 设备互通信问题，有关 厂商又开发了 USB OTG 标准，允许嵌入式系统通过 USB 接口互相通信，从而甩掉 了 PC 机。 新 USB2.0 规范重新命名了 USB 标准将原先的 USB 1.1 改成了 USB 2.0 Full Speed（全速版），同时将原有的 USB 2.0 改成了 USB 2.0High-Speed（高速版）， 并同时公布了新的标识 。不言而喻，高速版的 USB 2.0 速度当然超过全速版的 USB 2.0。
    【USB vs IEEE1394】 IEEE1394 一、USBUSBUSBUSB 与 IEEE1394 IEEE1394 IEEE1394 的相同点主要有哪些？ 两者都是一种通用外接设备接口。 两者都可以快速传输大量数据。 两者都能连接多个不同设备。 两者都支持热插拨。 两者都可以不用外部电源。 二、USBUSBUSBUSB 与 IEEE1394 IEEE1394 IEEE1394 IEEE1394 的不同点有哪些？ 两者的传输速率不同。USB 的传输速率与 IEEE1394 的速率比起来真是小巫见大 巫了。USB 的传输速率现在只有 480Mbps，只能连接键盘、鼠标与麦克风等低速设 备，而 IEEE1394 可以使用 3.2Gbps，可以用来连接数码相机、扫描仪和信息家电等 需要高速率的设备。 两者的结构不同。USB 在连接时必须至少有一台电脑 ，并且必须需要 HUB 来实 现互连，整个网络中最多可连接 127 台设备。IEEE1394 并不需要电脑来控制所有设 备，也不需要 HUB，IEEE1394 可以用网桥连接多个 IEEE1394 网络，也就是说在用 IEEE1394 实现了 63 台 IEEE1394 设备之后也可以用网桥将其他的 IEEE1394 网络 连接起来，达到无限制连接。 两者的智能化不同 。IEEE1394 网络可以在其设备进行增减时自动重设网络 。US B 是以 HUB 来判断连接设备的增减了。 两者的应用程度不同。现在 USB 已经被广泛应用于各个方面，几乎每台 PC 主 板都设置了 USB 接口，USB2.0 也会进一步加大 USB 应用的范围。IEEE1394 现在 只被应用于音频、视频等多媒体方面。 【前置 USBUSBUSBUSB 接口】 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 US B 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，由于 USB2.0 接口输出电压为 5V，输出电流为 500mA。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。
    【USBUSBUSBUSB 口硬盘盒】 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 向下兼容 USB1.1，但 支持 USB2.0 接口的移动硬盘盒比 USB1.1 的要贵一些。 【无线 USBUSBUSBUSB】 USB 开发者论坛的主席兼英特尔公司的技术策略官 Jeff Ravencraft 表示，无线 USB 技术将帮助用户在使用个人电脑连接打印机、数码相机、音乐播放器和外置磁 盘驱动器等设备时，从纷繁复杂的电缆连线中解放出来。无线 USB 标准的数据传输 速率与目前的有线 USB 2.0 标准是一样的，均为每秒 480M，两者的区别在于无线 U SB 要求在个人电脑或外设中装备无线收发装置以代替电缆连线。 在英特尔开发者论坛举办的前夕 ，Ravencraft 称，首先采用这一标准的将是外置 磁盘驱动器、数码相机和打印机。而越来越多的产品将在今年第三季度开始推向市场 。 为了使无线 USB 标准得以实用，必须改善这一技术的一些不足 。在星期一，US B 标准小组宣布了无线联盟规范 ，以确保只有经过认证才能让电脑和外设通过无线 U SB 连接起来。 Ravencraft 补充，一直以来 USB 标准已经广泛的用于将数码相机、扫描仪、手 机、PDA、DVD 刻录机和其他设备与个人电脑的连接。而无线联盟规范则详细规定 了个人电脑和外设如何通过无线 USB 进行连接，一台电脑最多可以同时连接 127 个 外设。 无线联盟规范规定了两种建立连接的方法 。第一种方法是电脑和外设先用电缆连 接起来，然后再建立无线连接以供以后使用。第二种方法是外设可以提供一串数字 ， 用户在建立连接的时候输入到电脑里面。 无线 USB 采用超宽带技术进行通信。目前无线局域网的 802.11g 协议采用位于 2.4GHz 附近的一小段频带进行通信 ，而超宽带技术则采用从 3.1GHz 到 10.6GHz 的 频带进行通信。超宽带的信号水平足够低 ，因此对于其他无线通信技术来说 ，超宽带 信号的影响类似于噪声。 无线网络目前广泛使用的技术是 IEEE 的 802.11 标准，也就是英特尔所推动 的 Wi-Fi。这一技术广泛的使用在笔记本电脑上，甚至部分尼康公司和佳能公司的数码 相机也采用这一技术。而无线 USB 技术则是一个完全不同的技术，由于这一技术实 现上相对简单同时功耗只有 802.11 的一半，因此不少厂商都更愿意采用无线 USB 技 术。 Ravencraft 表示，在高端的手机和数码相机上采用 802.11 技术，关键是要解决 电池寿命问题。而厂商们发现超宽带技术是解决这一问题的最好的办法。
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