USB在智能測試中的應用

胡鑫杰

（電子工程學院，合肥 230037）

0 引言

隨著現代科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬測試已經不能滿足工業(yè)生產、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等領域大容量和高精度數據測試的客觀需求，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、智能化多功能數字測試系統(tǒng)已成為現代測試技術研究的重點之一。而計算機與外設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通信模塊負責完成PC和測試終端的通信功能，由集成了USB協議的USB接口芯片來實現。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功能設備芯片 ：USB主控制芯片實現主機和USB設備間的物理數據傳輸；USB集線器芯片負責將一個上行端口轉換為多個下行端口；USB功能設備芯片完成設備和主機之間的物理數據傳輸。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部主板上，一般不需要考慮其開發(fā)設計。在USB技術開發(fā)和研究領域中使用最頻繁、應用最廣泛的當屬USB功能設備的開發(fā)。隨著嵌入式技術的發(fā)展和USB協議的逐步完善，特別是USB OTG（USB On-The-Go）的出現，使得USB主機不再局限于單純的PC，而可以是含有USB主控制器的任何設備。外設可以在主機和設備之間互換角色，這大大簡化了外設之間的通信。外設之間可以直接實現點對點通信，而不必完全依賴于計算機了。USB接口芯片的開發(fā)重點也轉向了既可以作為主機又可以充當從機的雙重角色的復合式設備開發(fā)。

2 USB功能設備芯片

國內外生產USB功能設備芯片的廠商很多，國外主要的生產廠家有Intel、Cypress、Philips和NEC等；國內生產商如臺灣的創(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接口在數字移動產品中的廣泛使用，越來越多的芯片生產商也加入到了這一行列，微芯和富士通等較大的芯片生產商也都推出了自己USB芯片。當前市場常用的USB功能設備芯片可以分為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半導體公司生產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，它負責完成主機與USB外圍設備的通信；從機模式下，作為一般外設的USB通信接口 。

圖2 SL811HS內部結構

（2）ISP1362

作為業(yè)內主要的USB OTG技術和標準開發(fā)商，Philips公司一直致力于為市場提供最強大的、最成熟的OTG終端產品。ISP1362是其開發(fā)的一款USB OTG芯片，在數碼相機、PDA等設備上應用十分廣泛。首個具備USB OTG功能的手持產品——索尼CLIE采用的就是ISP1362芯片，從而實現便攜式產品和移動設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外設控制器（DC）。該OTG控制器完全兼容USB2.0及On-The-Go Supplement 1.0協議，主機和設備控制器兼容USB2.0協議，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）；支持內置電源和外部電源兩種供電模式，對于較低功耗的應用設計，可用內部的電荷泵激勵器。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外設和數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的多種功能，例如顯示器、音頻設備以及支持 USB 通信的移動設備等 。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應用方案

基于USB的自動測試系統(tǒng)的總體設計方案大致相同，其基本結構如圖3所示:由傳感器輸出的模擬信號輸入到ADC中轉變?yōu)閿底中盘?，實現數據的采集過程。微控制器負責原始數據的處理和存儲，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)為外設的實時采集系統(tǒng)。上位機通過軟件設置來驅動單片機系統(tǒng)工作，單片機系統(tǒng)完成數據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的數據庫管理系統(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，獨立完成數據采集、處理和控制功能，并將測試信息保存在存儲設備上，等數據采集工作完成時再將存儲設備上的數據轉移到計算機上顯示、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置USB協議的轉換芯片，實現采集系統(tǒng)與PC的USB通信。文獻[6]采用了此種方案。通過CP2101來實現串行端口到USB的轉變，在計算機內部虛擬一個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，不能夠滿足高速數據測試的要求。文獻[7]中也采用了類似方案，將IrDA設備通過串口紅外收發(fā)器與MCU連接， MCU通過USB轉RS232串口橋控制器實現與計算機的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控制芯片的出現使得USB技術在自動測試系統(tǒng)應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)開始應用于智能測試系統(tǒng)中。這一技術非常適用于那些不方便現場作業(yè)或實時采集的場合，USB芯片可以將大量數據通過其主機功能保存到U盤等海量存儲設備上，即解決了以往的數據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，給出了其設計方案，如圖4所示，并詳細介紹了整個開發(fā)和調試過程。文獻[9]同樣采用SL811HS作為USB接口芯片設計了震動信號的檢測系統(tǒng)，實現了MCU對U盤的讀寫功能 。

圖4 SL811HS 設計方案

以上列舉2個方案的優(yōu)點是開發(fā)人員可以根據設計需要靈活選擇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)的更新換代。缺點是開發(fā)人員必須要考慮主控制器與USB接口芯片的電平轉換和通信接口等問題，為設計增加了難度。隨著USB技術的成熟和應用的普及，現在很多單片機內部都集成了USB控制器。內置MCU單元的USB控制芯片的使用大大簡化外圍電路的設計和程序的開發(fā)。文獻[10]就是采用內置MCU單元的USB接口芯片MB90334，設計了機車電表數據轉儲系統(tǒng)，實現了嵌入式USB主機對USB移動設備的讀寫功能 。

基于USB技術的智能測試系統(tǒng)的設計和開發(fā)，隨著USB技術的發(fā)展而發(fā)展。 USB3.0標準已于2008年11月正式發(fā)布， 在保留USB2.0智能主機和簡單外設模式的基礎上，增加了超高速傳輸構架，大大提高了傳輸速率，最高傳輸速率可達5Gps。在硬件產品方面，NEC公司已經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)界領先的USB3.0-SATA橋接芯片MB86C30A,該芯片能夠實現外置存儲器件（如磁盤驅動器HDD）和PC之間高達5Gbps的數據傳輸 。

除有線領域之外，USB技術在無線電領域也有延伸。WUSB（Wireless USB）的出現進一步擴展了USB技術在計算機接口的應用范圍，同時也對目前較為常用的幾種短距離通信技術（紅外、藍牙和WiFi等）提出了挑戰(zhàn)。其數據傳輸速率完全不亞于USB2.0，最高可達480Mbps,未來的WUSB數據傳輸速率有可能增加到1Gbps。因此,伴隨著新的USB協議標準和高性能控制芯片的出現，智能測試系統(tǒng)在總線選擇上，完全可以根據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備都采用USB總線，并且在實際應用中取得了很好的效果。隨著USB協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