基于USB的家電自動(dòng)化

　　近來，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單的實(shí)現(xiàn)途徑。采用稱為“即插即用”（plug-n-play）的簡單操作，當(dāng)家電插入PC 上的USB 端口，就會與PC 交換USB 家電參數(shù)，從而消除了對家電接口進(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，只要將它們簡單地插拔即可。

　　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，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，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(dòng)化的基礎(chǔ)知識。最后，本文比較了USB 和其他用于家電自動(dòng)化的主流無線技術(shù)（如，ZigBee. 通信協(xié)議和Bluetooth. 無線通信協(xié)議等）的異同。

　　背景

　　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，我們正在見證一場家電行業(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。

　　現(xiàn)在，我們的日常生活中方方面面都會用到PC 機(jī)。我們與周圍環(huán)境的互動(dòng)，很大程度上是通過PC 機(jī)進(jìn)行控制的。類似地，如果沒有PC 機(jī)作為其中心，未來的家電自動(dòng)化根本無法想象。

　　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，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(chǎn)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(xiàn)實(shí)，而這促使了操作系統(tǒng)供應(yīng)商對標(biāo)準(zhǔn)USB 驅(qū)動(dòng)程序提供支持。

　　比如說，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，

　　自動(dòng)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(jìn)行讀取，從而通過USB 總線對洗衣機(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(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(hù)人的情況下，孩子無法去操作有潛在危險(xiǎn)的家電。

　　現(xiàn)在已經(jīng)為您介紹了USB 及其可能的應(yīng)用，下面讓我們來探索一下USB 協(xié)議的細(xì)節(jié)。
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，支持多達(dá)127 個(gè)不同設(shè)備，每個(gè)菊花鏈段長度不能超過五英尺。

　　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)生過流現(xiàn)象時(shí)關(guān)閉設(shè)備。USB 集線器還能適當(dāng)過濾主機(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)識符（VID）和產(chǎn)品標(biāo)識符（PID）。這兩個(gè)標(biāo)識信息記錄在USB 設(shè)備的設(shè)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(fèi)用。

　　與VID 類似， PID 是一個(gè)16 位數(shù)字。PID 標(biāo)識的是產(chǎn)品。設(shè)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(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：

　　1. 控制傳輸方式。控制傳輸在設(shè)備插入時(shí)對其進(jìn)行配置，并能用于其他的設(shè)備特定用途，諸如對設(shè)備上的其他通道進(jìn)行控制等。

　　2. 批量傳輸方式。在數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和使用量相對較大時(shí)采用批量傳輸方式。

　　3. 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)或反饋響應(yīng)特征的字符或坐標(biāo)，等等。

　　4. 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。

　　B 型USB 連接器專用于數(shù)據(jù)上行傳輸，即，數(shù)據(jù)從USB 主機(jī)傳輸?shù)皆O(shè)備或從集線器傳輸?shù)皆O(shè)備。B 型連接器位于主機(jī)和集線器上，如圖2 所示。

　　有時(shí)為了使占用空間更小，可以使用微型USB 連接器。

　　USB 設(shè)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(shè)備在D+ 端接一個(gè)上拉電阻表明它是全速設(shè)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(shè)備中，上拉電阻是內(nèi)置的，能通過固件開啟和關(guān)閉。另一些設(shè)備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過固件進(jìn)行速度控制會受到限制，并且要求另外對外部中繼服務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與編碼。

　　低速設(shè)備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設(shè)備，如圖4 所示。

　　最開始，高速設(shè)備被當(dāng)作全速設(shè)備進(jìn)行連接（D+ →1.5k 至3.3V）。初始連接之后，設(shè)備在復(fù)位時(shí)將發(fā)出高速的啁啾聲，然后與主機(jī)建立高速連接。一旦設(shè)備經(jīng)初始化進(jìn)入高速模式，上拉電阻就被禁用。

　　USB數(shù)據(jù)流模式：枚舉在設(shè)備可以與應(yīng)用進(jìn)行通信前，USB 主機(jī)需要了解設(shè)備狀態(tài)并給它分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)現(xiàn)這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據(jù)USB V2.0 規(guī)范的定義，設(shè)備將經(jīng)歷以下設(shè)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(gè)USB 設(shè)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(xì)節(jié)超出了本文的范圍；不過，在設(shè)備配置中使用的命令與結(jié)構(gòu)是相關(guān)的。

　　描述符是讓USB 主機(jī)能獲取設(shè)備信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在枚舉過程中，主機(jī)請求描述符，從最上層設(shè)備描述符開始，一直到最低層端點(diǎn)描述符，順序如圖5 所示。

　　枚舉過程

　　下面概述一下USB 設(shè)備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設(shè)備在枚舉過程如何經(jīng)歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個(gè)狀態(tài)。

　　1. 用戶將一個(gè)USB 設(shè)備插入U(xiǎn)SB 端口。主機(jī)為端口供電，設(shè)備此時(shí)處于上電狀態(tài)。

　　2. 主機(jī)檢測設(shè)備。

　　3. 集線器使用中斷通道將事件報(bào)告給主機(jī)。

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

　　5. 集線器檢測設(shè)備是低速運(yùn)行還是高速運(yùn)行，并將此信息送給主機(jī)