基于USB的家電自動(dòng)化設(shè)計(jì)

近年來(lái)，通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）的使用為家電自動(dòng)化引入了一種更為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)途徑。本文介紹了建立在USB基礎(chǔ)之上的、創(chuàng)新的家電自動(dòng)化應(yīng)用，并以基于USB的照明控制為例，講解了基于USB的家電自動(dòng)化的基礎(chǔ)知識(shí)。最后，本文比較了USB和其他用于家電自動(dòng)化的主流無(wú)線技術(shù)（如ZigBee通信協(xié)議和Bluetooth無(wú)線通信協(xié)議等）的異同。

　即插即用（Plug-n-play） 的簡(jiǎn)單操作就是當(dāng)家電插入PC上的USB端口，就會(huì)與PC交換USB家電參數(shù)，從而消除了對(duì)家電接口進(jìn)行設(shè)置的繁瑣工作。根據(jù)經(jīng)由USB端口傳送至PC的家電描述符，自動(dòng)把家電配置為“就緒”狀態(tài)。此外，在家電網(wǎng)絡(luò)上添加或刪除新家電，只要將它們簡(jiǎn)單地插拔即可。

　　隨著功能豐富的新型半導(dǎo)體器件的高速發(fā)展，同時(shí)其價(jià)格也隨之達(dá)到消費(fèi)者可以承受的水平，我們正在見(jiàn)證一場(chǎng)家電行業(yè)中的自動(dòng)化風(fēng)暴。在這些技術(shù)進(jìn)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(huì)用到PC機(jī)。我們與周圍環(huán)境的互動(dòng)，很大程度上是通過(guò)PC機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行交互或關(guān)注PC機(jī)。USB協(xié)議非常智能，它能自動(dòng)檢測(cè)并驅(qū)動(dòng)多達(dá)127個(gè)連接在其總線上的設(shè)備?？梢灶A(yù)見(jiàn)，USB將能夠最終控制和驅(qū)動(dòng)絕大部分家電。

　　由于USB能實(shí)現(xiàn)家電自動(dòng)化，它對(duì)于最終用戶是有用的，包括USB自動(dòng)洗衣機(jī)、烘干機(jī)、咖啡機(jī)、安保系統(tǒng)以及家電控制臺(tái)，如圖1所示。不僅如此，對(duì)于家電制造商而言，在新產(chǎn)品測(cè)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(shí)，而這促使了操作系統(tǒng)供應(yīng)商對(duì)標(biāo)準(zhǔn)USB驅(qū)動(dòng)程序提供支持。比如說(shuō)，Microsoft在其Windows操作系統(tǒng)（OS）的各版本中，提供了USB驅(qū)動(dòng)程序支持，支持諸如人機(jī)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(chǔ)設(shè)備（Mass Storage Device，MSD）驅(qū)動(dòng)程序。

　　USB的另一項(xiàng)重要用途與預(yù)付費(fèi)設(shè)施有關(guān)。比如說(shuō)，自動(dòng)洗衣店可以向客戶發(fā)行洗衣卡，洗衣卡可以通過(guò)USB端口進(jìn)行讀取，從而通過(guò)USB總線對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)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(xì)。對(duì)于具有USB總線的家電而言，這類大容量存儲(chǔ)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(guò)USB端口對(duì)家電鎖定和解鎖，防止孩子自己開(kāi)啟某些家電。這樣能讓人放心許多，在沒(méi)有監(jiān)護(hù)人的情況下，孩子無(wú)法去操作有潛在危險(xiǎn)的家電。

USB總線架構(gòu)

　　USB是每條總線支持一個(gè)主機(jī)的一種主機(jī)控制架構(gòu)。大部分的PC上都有多個(gè)USB主機(jī)。設(shè)備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機(jī)上。多個(gè)集線器能夠以菊花鏈方式連接起來(lái)，支持多達(dá)127個(gè)不同設(shè)備，每個(gè)菊花鏈段長(zhǎng)度不能超過(guò)五英尺。

　　這種菊花鏈?zhǔn)竭B接，形成了稱為層式星狀（Tiered Star）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它與10-Base T以太網(wǎng)類似。與以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，USB有一些優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閁SB集線器能為連接在其上的設(shè)備供電，并在發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)關(guān)閉設(shè)備。USB集線器還能適當(dāng)過(guò)濾主機(jī)和設(shè)備間的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設(shè)備的無(wú)縫集成。

　　USB是即插即用型協(xié)議，能動(dòng)態(tài)加載和卸載USB驅(qū)動(dòng)程序。要加載USB驅(qū)動(dòng)程序，必須有USB提供商標(biāo)識(shí)符（VID）和產(chǎn)品標(biāo)識(shí)符（PID）。

　　VID用來(lái)識(shí)別USB總線的制造商。通常，VID由名為“通用串行總線開(kāi)發(fā)者論壇”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）組織分配，申請(qǐng)者需要支付注冊(cè)VID費(fèi)用。與VID類似，PID是一個(gè)16位數(shù)字，PID標(biāo)識(shí)的是產(chǎn)品，設(shè)備制造商提供PID號(hào)。不同于VID，對(duì)于PID來(lái)說(shuō)，USB-IF對(duì)其沒(méi)有任何管理上的限制。

　　USB的另一個(gè)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?？刂苽鬏斣谠O(shè)備插入時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置，并能用于其他的設(shè)備特定用途，諸如對(duì)設(shè)備上的其他通道進(jìn)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(duì)較大時(shí)采用批量傳輸方式。
◆ 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時(shí)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?lái)憫?yīng)特征的字符或坐標(biāo)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(shí)間占用預(yù)定的USB帶寬，同步傳輸也稱為“流實(shí)時(shí)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(jī)，所以，A型連接器位于設(shè)備上。