基于USB的家電自動化 - 全文

　　幾年前，用個人電腦（Personal computer，PC）實現家電自動化是一件令人望而卻步的事——它要求配置中斷請求（Interrupt Request，IRQ）、向PC 機添加額外的控制卡，以及對跳線組態(tài)進行恰當的設置。每當在家電網絡上添加/ 刪除某個設備或家電時，都需要重復這種冗長乏味的過程。

　　近來，通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）的使用，為家電自動化引入了一種更為簡單的實現途徑。采用稱為“即插即用”（plug-n-play）的簡單操作，當家電插入PC 上的USB 端口，就會與PC 交換USB 家電參數，從而消除了對家電接口進行設置的繁瑣工作。根據經由USB 端口傳送至PC 的家電描述符，自動把家電配置為“就緒”狀態(tài)。此外，在家電網絡上添加或刪除新家電，只要將它們簡單地插拔即可。

　　本文介紹了建立在USB 基礎之上的、創(chuàng)新的家電自動化應用，包括USB 自動洗衣機、烘干機、咖啡機、安保系統以及家電控制臺，如圖1 所示。此外，本文還以基于USB 的照明控制為例，講解了基于USB 的家電自動化的基礎知識。最后，本文比較了USB 和其他用于家電自動化的主流無線技術（如，ZigBee. 通信協議和Bluetooth. 無線通信協議等）的異同。

　　背景

　　隨著功能豐富的新型半導體器件的高速發(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)中的自動化風暴。在這些技術進步中就包括了PC 上USB 的演化。

　　現在，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。類似地，如果沒有PC 機作為其中心，未來的家電自動化根本無法想象。

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

　　由于USB 能實現家電自動化，它對于最終用戶是有用的。不僅如此，對于家電制造商而言，在新產品測試方面，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實，而這促使了操作系統供應商對標準USB 驅動程序提供支持。

　　比如說，Microsoft. 在其Windows. 操作系統（OS）的各版本中，提供了USB 驅動程序支持，支持諸如人機接口設備（Human Interface Device，HID）、通信設備類（Communication Device Class，CDC）和大容量存儲設備（Mass Storage Device，MSD）驅動程序。

　　USB 的另一項重要用途與預付費設施有關。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據率，用于記錄設施數據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 特別適用于數據記錄與控制。

　　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。

　　現在已經為您介紹了USB 及其可能的應用，下面讓我們來探索一下USB 協議的細節(jié)。

　　USB總線架構

　　USB 是每條總線支持一個主機的一種主機控制架構。大部分的PC 上都有多個USB 主機。設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）的拓撲結構， 它與 10-Base T 以太網類似。與以太網拓撲結構相比，USB 有一些優(yōu)點，因為USB 集線器能為連接在其上的設備供電，并在發(fā)生過流現象時關閉設備。USB 集線器還能適當過濾主機和設備間的數據，實現低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設備的無縫集成。

　　USB 是即插即用型協議，能動態(tài)加載和卸載USB 驅動程序。要加載USB 驅動程序，必須有USB 提供商標識符（VID）和產品標識符（PID）。這兩個標識信息記錄在USB 設備的設備描述符中。

　　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 位數字。PID 標識的是產品。設備制造商提供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據傳輸方式。例如，USB V2.0 支持四種不同類型的數據傳輸：

　　1. 控制傳輸方式?？刂苽鬏斣谠O備插入時對其進行配置，并能用于其他的設備特定用途，諸如對設備上的其他通道進行控制等。

　　2. 批量傳輸方式。在數據的產生和使用量相對較大時采用批量傳輸方式。

　　3. 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時且可靠的數據傳送。例如，具有人類可感知反應或反饋響應特征的字符或坐標，等等。

　　4. 同步傳輸方式。同步傳輸方式在預先約定的傳輸延遲時間占用預定的USB 帶寬。同步傳輸也稱為“流實時傳輸”。

　　A 型USB 連接器專用于數據下行傳輸，即，數據從設備傳輸到主機。所以，A 型連接器位于設備上。

　　B 型USB 連接器專用于數據上行傳輸，即，數據從USB 主機傳輸到設備或從集線器傳輸到設備。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。全速設備在D+ 端接一個上拉電阻表明它是全速設備，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。有些設備中，上拉電阻是內置的，能通過固件開啟和關閉。另一些設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進行實現與編碼。

　　低速設備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設備，如圖4 所示。

　　最開始，高速設備被當作全速設備進行連接（D+ →1.5k 至3.3V）。初始連接之后，設備在復位時將發(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經初始化進入高速模式，上拉電阻就被禁用。

　　USB數據流模式：枚舉在設備可以與應用進行通信前，USB 主機需要了解設備狀態(tài)并給它分配設備驅動程序。實現這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據USB V2.0 規(guī)范的定義，設備將經歷以下設備狀態(tài)：

　　1. 上電狀態(tài)（Powered）

　　2. 缺省狀態(tài)（Default）

　　3. 地址狀態(tài)（Address）

　　4. 配置狀態(tài)（Configured）

　　另外還有兩個USB 設備狀態(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，在設備配置中使用的命令與結構是相關的。

　　描述符是讓USB 主機能獲取設備信息的數據結構。在枚舉過程中，主機請求描述符，從最上層設備描述符開始，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 設備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設備在枚舉過程如何經歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態(tài)。

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

　　2. 主機檢測設備。

　　3. 集線器使用中斷通道將事件報告給主機。

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

　　5. 集線器檢測設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。

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

　　7. 集線器對設備復位。

　　8. 主機使用Chirp K 信號來了解全速設備是否支持高速運行。

　　9. 主機發(fā)送另一個Get_Port_Status 請求，確定設備是否已經從復位狀態(tài)退出。

　　10. 設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主機控制傳輸。缺省地址為00h，設備能從總線獲取高達100mA 的電流。

　　11. 主機發(fā)送Get_Descriptor（讀設備描述符）報文，以便確定最大數據包大小。設備描述符的八個字節(jié)是bMaxPacketSize。

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

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

　　14. 主機分配并加載設備驅動程序。

　　15. 通過發(fā)送Set_Configuration（寫配置）請求，主機的設備驅動程序選擇一個有效配置。設備此時處于配置狀態(tài)。

　　16. 主機為復合設備接口分配驅動程序。

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

　　18. 如果在3 毫秒內設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)設備消耗的總線電能最少。

　　USB 協議層

　　控制傳輸使主機和設備之間可以交換設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?？刂苽鬏斢稍O置階段、可選的數據階段和狀態(tài)階段組成。下面詳細描述每個階段的包。

　　1. 標記包。USB 中所有事務都是由主機（PC）來完成的。IN 表示數據被讀入PC，OUT 表示數據由主機送出至設備，如圖6 所示。

　　2. 數據包（可選）。USB 主機有兩個數據包——DATA0 和DATA1。每一個包的容量為1024 字節(jié)。

　　3. 狀態(tài)包。在諸如應答（ACK）、否定應答（NACK）以及停止（Stall）等事務中，狀態(tài)包用來跟蹤USB 狀態(tài)。

　　4. 幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB 主機都將發(fā)送一幀SOF，每幀有11 位數據。

　　基于 USB 的家電網絡

　　在基于USB 的家電網絡中，可以以菊花鏈式連接6 個USB 集線器，為多達127 臺家電設備提供接口。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添加音頻特征，這樣當每項任務完成時，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，設置烘干時間，然后自動計時烘干，在每項任務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部的情況，設置特定的觸發(fā)開關來檢測剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據這些信息，當您計劃去商場時，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扇和空調的運行。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，電風扇和空調可以自動地分擔制冷荷合。

　　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 打開和關閉窗戶及窗簾。

　　家電USB 自動化的潛力是無窮的。采用現代技術，USB 自動化就是把家電或設備與PC 上USB 端口連接，如圖7 所示。

　　演示：基于 USB 的照明自動化

　　本演示將展示交流照明的USB 自動化，使用的是MCHPUSB.SYS，這是Microchip 開發(fā)的USB 驅動程序。此外，使用MCHPUSB.SYS 驅動程序可以通過PC 的圖形用戶界面（GUI）看到電燈的狀態(tài)。

　　演示：USB 數據記錄器

　　數據記錄，對于家電制造商驗證新產品設計，以及在向用戶發(fā)貨之前進行自動化家電設備測試，是非常重要的。

　　從消費者的角度看，數據記錄也很重要；因為，可以預見，許多未來的家電產品都將具有儲值卡激活系統，它要求用戶進行登錄以便使用家電。有了數據記錄功能，儲值卡在余額用完時，能夠將設備鎖定。

　　本演示使用Microsoft 的USBSTOR.SYS 驅動程序來操作被當作大容量存儲設備使用的PIC18F4550 單片機。USBSTOR.SYS 是Windows 操作系統自帶的大容量存儲設備驅動程序。在Microchip 的嵌入式 FAT16 文件系統的協助下，USBSTOR.SYS 驅動程序在Secure Digital. 卡上創(chuàng)建文件，用來記錄模數轉換數據。然后，把記錄的數據存放在SD 卡上一個叫做DATALOG.TXT 的文本文件中。

　　演示：USB 音頻視頻應用

　　本演示將展示Microchip USB PIC. 單片機播放實時音頻視頻流的能力。演示將證實PIC 器件不僅非常適用于嵌入式控制，也適用于含有音頻視頻信息的應用，如可視門鈴等。

　　超寬帶（UWB）USB的優(yōu)點

　　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。

　　藍牙是目前短距離無線連接的行業(yè)標準。然而，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。

　　另一方面，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，以便窄帶設備能夠檢測到信號。因此，UWB 能與其他的無線通信協議（如Wi-Fi）共存。

　　無線技術比較

　　總結

　　本文討論并演示基于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據記錄、用于需要類似音頻視流那樣的實時應用。

　　基于USB 的家電自動化具有無限的空間。預計采用USB 控制的家電產品將迅速發(fā)展。無線USB 的標準化，將促進基于USB 的家電自動化，實現高帶寬、低干擾的無線連接。