USB在智能测试中的应用

胡鑫杰

（电子工程学院，合肥 230037）

0 引言

随着现代科技的飞速发展，传统的模拟测试已经不能满足工业生产、医疗卫生、航空航天等领域大容量和高精度数据测试的客观需求，大力发展以计算机为信息处理和控制中心、以模拟前端、ADC和单片机控制系统为测试终端的高速化、小型化、智能化多功能数字测试系统已成为现代测试技术研究的重点之一。而计算机与外设的通信依赖以其丰富的接口资源，常用的PCI接口、ISA接口和RS-232/RS485等总线受到接口体积、插槽数量、地址、中断资源和传输速率等因素的限制，大大制约计算机的扩展性能和灵活程度。USB的出现为解决这一问题提供了良好的解决方案 。

1 USB通信模块

USB通信模块负责完成PC和测试终端的通信功能，由集成了USB协议的USB接口芯片来实现。USB接口芯片按照功能可以分为USB主控制器芯片、USB集线器芯片和USB功能设备芯片 ：USB主控制芯片实现主机和USB设备间的物理数据传输；USB集线器芯片负责将一个上行端口转换为多个下行端口；USB功能设备芯片完成设备和主机之间的物理数据传输。具体流程如图1所示。

图1 USB通信模块

USB主控制器芯片和USB集线器芯片大都集成在计算机的内部主板上，一般不需要考虑其开发设计。在USB技术开发和研究领域中使用最频繁、应用最广泛的当属USB功能设备的开发。随着嵌入式技术的发展和USB协议的逐步完善，特别是USB OTG（USB On-The-Go）的出现，使得USB主机不再局限于单纯的PC，而可以是含有USB主控制器的任何设备。外设可以在主机和设备之间互换角色，这大大简化了外设之间的通信。外设之间可以直接实现点对点通信，而不必完全依赖于计算机了。USB接口芯片的开发重点也转向了既可以作为主机又可以充当从机的双重角色的复合式设备开发。

2 USB功能设备芯片

国内外生产USB功能设备芯片的厂商很多，国外主要的生产厂家有Intel、Cypress、Philips和NEC等；国内生产商如台湾的创维、扬智、巨盛和大陆的沁恒等电子公司。随着PC的普及和USB接口在数字移动产品中的广泛使用，越来越多的芯片生产商也加入到了这一行列，微芯和富士通等较大的芯片生产商也都推出了自己USB芯片。当前市场常用的USB功能设备芯片可以分为2大类：一类是不带MCU单元的单一USB接口控制芯片，如Cypress的SL811HS和Philips的ISP1362等；另一类是集成了MCU单元的微控制器芯片，如Microchip的PIC24FJ256GB110系列和Fujitsu的MB90F330A系列。下面简单介绍几款较为典型的USB芯片。

（1）SL811HS

SL811HS是Cypress半导体公司生产的市场上第一个嵌入式USB主从控制器，支持全速和低速传输。SL811HS主要由以下几部分构成，如图2所示。处理器接口、终端控制器、RAM缓存和控制寄存器、串行接口引擎、主从控制器、PLL时钟乘法器以及USB接收器等。在主机模式下，它负责完成主机与USB外围设备的通信；从机模式下，作为一般外设的USB通信接口 。

图2 SL811HS内部结构

（2）ISP1362

作为业内主要的USB OTG技术和标准开发商，Philips公司一直致力于为市场提供最强大的、最成熟的OTG终端产品。ISP1362是其开发的一款USB OTG芯片，在数码相机、PDA等设备上应用十分广泛。首个具备USB OTG功能的手持产品——索尼CLIE采用的就是ISP1362芯片，从而实现便携式产品和移动设备之间的点对点通信。

ISP1362在单芯片上集成了一个高性能的飞利浦主机控制器（PSHC）和飞利浦ISP1181B外设控制器（DC）。该OTG控制器完全兼容USB2.0及On-The-Go Supplement 1.0协议，主机和设备控制器兼容USB2.0协议，并支持12Mbit/s和1.5Mbit/s两种传输速率。它的工作电压为3.3 V，工作时钟为12MHz，并通过锁相环（PLL）有效减少了电磁干扰（EMI）；支持内置电源和外部电源两种供电模式，对于较低功耗的应用设计，可用内部的电荷泵激励器。如果系统功耗较高，则要用外部电源供电。

（3） MB90F330A

MB90330A系列是富士通公司针对PC外设和数字家电市场而推出的一款高性能USB OTG芯片。它具有适合用于个人计算机外设的多种功能，例如显示器、音频设备以及支持 USB 通信的移动设备等 。该芯片采用了先进的CMOS工艺制造，提供了极为丰富的开发资源，内置16位的MCU，最大存储空间为16Mbytes，最大I/O为94个，提供包括ADC、I C、UART等在内的接口资源，极大程度上满足了各种开发的需要。最大工作时钟为6MHz（USB时为48MHz），并且支持多种工作模式，有效地减少了系统功耗。

3 USB应用方案

基于USB的自动测试系统的总体设计方案大致相同，其基本结构如图3所示:由传感器输出的模拟信号输入到ADC中转变为数字信号，实现数据的采集过程。微控制器负责原始数据的处理和存储，然后通过USB接口建立与PC的通信。此方案可以实现2种工作模式：一是在连接计算机的情况下，可以组成以计算机为控制核心，单片机系统为外设的实时采集系统。上位机通过软件设置来驱动单片机系统工作，单片机系统完成数据采集和原始处理后通过USB将测试信息传输至PC进行进一步的分析处理并建立相应的数据库管理系统。并且在此种工作模式下计算机还可以通过USB总线为外设直接供电而不需要外接电源。二是在脱离计算机的情况下，以单片机为控制核心的微控制系统单独运行，独立完成数据采集、处理和控制功能，并将测试信息保存在存储设备上，等数据采集工作完成时再将存储设备上的数据转移到计算机上显示、处理。

图3 基于USB的测试方案框图

早期的智能测试方案中并没有采用专用的USB接口控制芯片，而是采用了其它的内置USB协议的转换芯片，实现采集系统与PC的USB通信。文献[6]采用了此种方案。通过CP2101来实现串行端口到USB的转变，在计算机内部虚拟一个COM口，用户就可以按照通用串行接口的控制方式来使用COM口。对于微机系统它是COM3或COM4，对于单片微机或其它信号处理单元，它是一个简单的I/O端口 。此种方案虽然简单方便，但并没有实现真正意义上的USB传输，在传输速率上受到串口速率的限制，不能够满足高速数据测试的要求。文献[7]中也采用了类似方案，将IrDA设备通过串口红外收发器与MCU连接， MCU通过USB转RS232串口桥控制器实现与计算机的USB通信功能 。

目前，更多的开发人员选择专用的USB接口控制芯片来实现测试终端与计算机的通信功能。主/从功能的USB控制芯片的出现使得USB技术在自动测试系统应用中有了更加广阔的空间。因此，基于USB的智能测试终端不仅仅局限于USB从机的角色，越来越多的嵌入式USB主机控制系统开始应用于智能测试系统中。这一技术非常适用于那些不方便现场作业或实时采集的场合，USB芯片可以将大量数据通过其主机功能保存到U盘等海量存储设备上，即解决了以往的数据存储容量不足的问题又方便实用。

文献[8]中选用了Cypress的SL811HS作为USB接口芯片，给出了其设计方案，如图4所示，并详细介绍了整个开发和调试过程。文献[9]同样采用SL811HS作为USB接口芯片设计了震动信号的检测系统，实现了MCU对U盘的读写功能 。

图4 SL811HS 设计方案

以上列举2个方案的优点是开发人员可以根据设计需要灵活选择USB接口芯片和主控制器，能够最大限度地节约硬件资源，也方便后续开发的更新换代。缺点是开发人员必须要考虑主控制器与USB接口芯片的电平转换和通信接口等问题，为设计增加了难度。随着USB技术的成熟和应用的普及，现在很多单片机内部都集成了USB控制器。内置MCU单元的USB控制芯片的使用大大简化外围电路的设计和程序的开发。文献[10]就是采用内置MCU单元的USB接口芯片MB90334，设计了机车电表数据转储系统，实现了嵌入式USB主机对USB移动设备的读写功能 。

基于USB技术的智能测试系统的设计和开发，随着USB技术的发展而发展。 USB3.0标准已于2008年11月正式发布， 在保留USB2.0智能主机和简单外设模式的基础上，增加了超高速传输构架，大大提高了传输速率，最高传输速率可达5Gps。在硬件产品方面，NEC公司已经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日宣布推出业界领先的USB3.0-SATA桥接芯片MB86C30A,该芯片能够实现外置存储器件（如磁盘驱动器HDD）和PC之间高达5Gbps的数据传输 。

除有线领域之外，USB技术在无线电领域也有延伸。WUSB（Wireless USB）的出现进一步扩展了USB技术在计算机接口的应用范围，同时也对目前较为常用的几种短距离通信技术（红外、蓝牙和WiFi等）提出了挑战。其数据传输速率完全不亚于USB2.0，最高可达480Mbps,未来的WUSB数据传输速率有可能增加到1Gbps。因此,伴随着新的USB协议标准和高性能控制芯片的出现，智能测试系统在总线选择上，完全可以根据需要考虑性能更好的USB3.0以提高系统的传输速率，或者采用WUSB摆脱有线的束缚。

4 结束语

USB总线即插即用和高速稳定的特点使它非常适合于作为测试终端和计算机通信的接口。目前市场上很多的智能仪表和测试设备都采用USB总线，并且在实际应用中取得了很好的效果。随着USB协议的不断完善和升级，USB总线的性能将进一步提高，其在智能测试系统中的应用也会更加广泛。

[1]段鲁男. 基于 USB 总线的车载数据采集系统的研究[D].长春：吉林大学，2003：6-8.

[2]薛圆圆，赵建领.USB应用开发实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2009：4-5.

[3]李英伟，王成儒，练秋生，胡正平.USB2.0原理与工程开发[M].2版.北京：国防工业出版社，2007：10-13.

[4]曹放.主动-从动USB接口的实现[D].沈阳：沈阳工业大学， 2007：17-18.

[5]http://www.fujitsu.com/cn/fmc/services/mcu/16bit/MB90F334APFF.html.

[6]张怀强，周建斌，潘士彬，何为民. 一种新型的USB数据采集系统的研究[J].计算机与自动化技术,2007,23（7）:68-73.

[7]古育斯.USB-IrDA的数据转换适配器设计[D].武汉：武汉大学，2004：26-30.

[8]辛华峰. USB OTG技术在数据采集系统中的应用研究[D].长春：吉林工业大学,2005：20-25.

[9]田宁君.基于USB主机技术的多通道数据采集仪[D].长春：吉林大学，2005：25-31.

[10]欧凡，李家武.基于带USB Host功能的MCU软件设计与应用[J].交通与计算机,2007,6(24):107-109.

[11]http://www.necel.com/usb/en/product/upd720200.html

[12]http://www.fujitsu.com/cn/news/archives/2009/fmc_0727.html