摘要

　　幾年前，用個(gè)人電腦（Personal computer，PC）實(shí)現(xiàn)家電自動(dòng)化" title="家電自動(dòng)化">家電自動(dòng)化是一件令人望而卻步的事——它要求配置中斷請(qǐng)求（Interrupt Request，IRQ）、向PC 機(jī)添加額外的控制卡，以及對(duì)跳線組態(tài)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置。每當(dāng)在家電網(wǎng)絡(luò)上添加/ 刪除某個(gè)設(shè)備或家電時(shí)，都需要重復(fù)這種冗長(zhǎng)乏味的過(guò)程。

　　近來(lái)，通用串行總線（Universal Serial Bus，USB" title="USB">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。采用稱為“即插即用”（plug-n-play）的簡(jiǎn)單操作，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。

　　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(tái)，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(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" title="ZigBee">ZigBee. 通信協(xié)議和Bluetooth. 無(wú)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(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。

　　現(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。類似地，如果沒(méi)有PC 機(jī)作為其中心，未來(lái)的家電自動(dòng)化根本無(wú)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(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。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。

　　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(lái)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" title="菊花鏈">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）。這兩個(gè)標(biāo)識(shí)信息記錄在USB 設(shè)備的設(shè)備描述符中。

　　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：

　　1. 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。

　　2. 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。

　　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?lái)憫?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(guò)拉高D+ 或D-端線電平來(lái)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(méi)有上拉電阻， USB 就假定總線上沒(méi)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(guò)固件開(kāi)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(guò)固件進(jìn)行速度控制會(huì)受到限制，并且要求另外對(duì)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(kāi)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(guò)程就叫作枚舉。在枚舉過(guò)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(guò)程的具體細(xì)節(jié)超出了本文的范圍；不過(guò)，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(guò)程中，主機(jī)請(qǐng)求描述符，從最上層設(shè)備描述符開(kāi)始，一直到最低層端點(diǎn)描述符，順序如圖5 所示。

　　枚舉過(guò)程

　　下面概述一下USB 設(shè)備的枚舉過(guò)程所包含的步驟，并講解設(shè)備在枚舉過(guò)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(cè)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(qǐng)求，以獲取更多的設(shè)備信息。

　　5. 集線器檢測(cè)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)，這是對(duì)Get_Port_Status 請(qǐng)求的響應(yīng)。

　　6. 主機(jī)發(fā)送Set_Port_Feature（寫端口狀態(tài)）請(qǐng)求給集線器，要求它復(fù)位端口。

　　7. 集線器對(duì)設(shè)備復(fù)位。

　　8. 主機(jī)使用Chirp K 信號(hào)來(lái)了解全速設(shè)備是否支持高速運(yùn)行。

　　9. 主機(jī)發(fā)送另一個(gè)Get_Port_Status 請(qǐng)求，確定設(shè)備是否已經(jīng)從復(fù)位狀態(tài)退出。

　　10. 設(shè)備此時(shí)處于缺省狀態(tài)，且已準(zhǔn)備好在零端點(diǎn)通過(guò)缺省通道響應(yīng)主機(jī)控制傳輸。缺省地址為00h，設(shè)備能從總線獲取高達(dá)100mA 的電流。

　　11. 主機(jī)發(fā)送Get_Descriptor（讀設(shè)備描述符）報(bào)文，以便確定最大數(shù)據(jù)包大小。設(shè)備描述符的八個(gè)字節(jié)是bMaxPacketSize。

 　　12. 通過(guò)發(fā)送Set_Address（寫地址）請(qǐng)求，主機(jī)分配地址，設(shè)備此時(shí)處于地址狀態(tài)。

　　13. 主機(jī)發(fā)送Get_Descriptor 報(bào)文，以獲取更多的設(shè)備信息。主機(jī)通過(guò)發(fā)送描述符響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求，隨后發(fā)送全部的次級(jí)描述符。

　　14. 主機(jī)分配并加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　15. 通過(guò)發(fā)送Set_Configuration（寫配置）請(qǐng)求，主機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序選擇一個(gè)有效配置。設(shè)備此時(shí)處于配置狀態(tài)。

　　16. 主機(jī)為復(fù)合設(shè)備接口分配驅(qū)動(dòng)程序。

　　17. 如果集線器檢測(cè)到有過(guò)流現(xiàn)象，或者主機(jī)要求集線器關(guān)閉電源，則USB 總線切斷設(shè)備供電電源。在這種情況下，設(shè)備與主機(jī)無(wú)法通信，但設(shè)備處于連接狀態(tài)。

　　18. 如果在3 毫秒內(nèi)設(shè)備在總線上未見(jiàn)任何動(dòng)作，則它將進(jìn)入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)設(shè)備消耗的總線電能最少。

　　USB 協(xié)議層

　　控制傳輸使主機(jī)和設(shè)備之間可以交換設(shè)備配置信息和其他控制信息?？刂苽鬏斣诘退俸腿賯鬏斶\(yùn)行時(shí)占用10% 的帶寬，在高速運(yùn)行時(shí)占用20% 的帶寬?？刂苽鬏斢稍O(shè)置階段、可選的數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段組成。下面詳細(xì)描述每個(gè)階段的包。

　　1. 標(biāo)記包。USB 中所有事務(wù)都是由主機(jī)（PC）來(lái)完成的。IN 表示數(shù)據(jù)被讀入PC，OUT 表示數(shù)據(jù)由主機(jī)送出至設(shè)備，如圖6 所示。

　　2. 數(shù)據(jù)包（可選）。USB 主機(jī)有兩個(gè)數(shù)據(jù)包——DATA0 和DATA1。每一個(gè)包的容量為1024 字節(jié)。

　　3. 狀態(tài)包。在諸如應(yīng)答（ACK）、否定應(yīng)答（NACK）以及停止（Stall）等事務(wù)中，狀態(tài)包用來(lái)跟蹤USB 狀態(tài)。

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

　　基于 USB 的家電網(wǎng)絡(luò)

　　在基于USB 的家電網(wǎng)絡(luò)中，可以以菊花鏈?zhǔn)竭B接6 個(gè)USB 集線器，為多達(dá)127 臺(tái)家電設(shè)備提供接口。所有的集線器能安放在一個(gè)集線盒中，集線盒則通過(guò)控制電纜連接到設(shè)備上。這也可以由帶USB 端口、運(yùn)行Windows OS 的單板機(jī)進(jìn)行控制，最終將為家中每個(gè)房間配備一個(gè)家電控制臺(tái)。

　　通過(guò)USB 自動(dòng)化，您在與朋友聊天的同時(shí)，可以通過(guò)PC 控制洗衣機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、衣服類型、清洗劑類型以及水溫等。您也可以為每項(xiàng)任務(wù)添加音頻特征，這樣當(dāng)每項(xiàng)任務(wù)完成時(shí)，您可以在某個(gè)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(jī)可以通過(guò)USB 自動(dòng)接收指令，從洗衣機(jī)處裝入衣服，設(shè)置烘干時(shí)間，然后自動(dòng)計(jì)時(shí)烘干，在每項(xiàng)任務(wù)成功完成后均有音頻提示。

　　通過(guò)USB 自動(dòng)化，您可以在辦公桌上控制咖啡機(jī)，不僅僅是煮咖啡，還能檢測(cè)咖啡壺中還剩多少咖啡。USB 自動(dòng)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(nèi)部的情況，設(shè)置特定的觸發(fā)開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)剩余的牛奶、飲料、奶酪以及蔬菜量。根據(jù)這些信息，當(dāng)您計(jì)劃去商場(chǎng)時(shí)，可以從PC 中快速匯總食品采購(gòu)清單。

　　照明自動(dòng)化是居家的基本需求。通過(guò)USB 自動(dòng)化，能夠檢查全屋的照明情況，并通過(guò)PC 對(duì)其進(jìn)行控制。

　　USB 與溫度傳感器配合使用，能夠自動(dòng)控制房屋某處電風(fēng)扇和空調(diào)的運(yùn)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(fēng)扇和空調(diào)可以自動(dòng)地分擔(dān)制冷荷合。

　　而在家庭安保方面，使用USB 自動(dòng)化，可以通過(guò)PC 控制門鎖、查看門鎖狀態(tài)，在臥室就可以關(guān)閉或打開(kāi)房門。

　　此外，USB 自動(dòng)可視門鈴能用于防止入侵者進(jìn)入房屋。USB 自動(dòng)化也使您能通過(guò)PC 打開(kāi)和關(guān)閉窗戶及窗簾。

　　家電USB 自動(dòng)化的潛力是無(wú)窮的。采用現(xiàn)代技術(shù)，USB 自動(dòng)化就是把家電或設(shè)備與PC 上USB 端口連接，如圖7 所示。

　　演示：基于 USB 的照明自動(dòng)化

　　本演示將展示交流照明的USB 自動(dòng)化，使用的是MCHPUSB.SYS，這是Microchip 開(kāi)發(fā)的USB 驅(qū)動(dòng)程序。此外，使用MCHPUSB.SYS 驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)PC 的圖形用戶界面（GUI）看到電燈的狀態(tài)。

　　演示：USB 數(shù)據(jù)記錄器

　　數(shù)據(jù)記錄，對(duì)于家電制造商驗(yàn)證新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及在向用戶發(fā)貨之前進(jìn)行自動(dòng)化家電設(shè)備測(cè)試，是非常重要的。

　　從消費(fèi)者的角度看，數(shù)據(jù)記錄也很重要；因?yàn)椋梢灶A(yù)見(jiàn)，許多未來(lái)的家電產(chǎn)品都將具有儲(chǔ)值卡激活系統(tǒng)，它要求用戶進(jìn)行登錄以便使用家電。有了數(shù)據(jù)記錄功能，儲(chǔ)值卡在余額用完時(shí)，能夠?qū)⒃O(shè)備鎖定。

　　本演示使用Microsoft 的USBSTOR.SYS 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作被當(dāng)作大容量存儲(chǔ)設(shè)備使用的PIC18F4550 單片機(jī)。USBSTOR.SYS 是Windows 操作系統(tǒng)自帶的大容量存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在Microchip 的嵌入式 FAT16 文件系統(tǒng)的協(xié)助下，USBSTOR.SYS 驅(qū)動(dòng)程序在Secure Digital. 卡上創(chuàng)建文件，用來(lái)記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然后，把記錄的數(shù)據(jù)存放在SD 卡上一個(gè)叫做DATALOG.TXT 的文本文件中。

　　演示：USB 音頻視頻應(yīng)用

　　本演示將展示Microchip USB PIC. 單片機(jī)播放實(shí)時(shí)音頻視頻流的能力。演示將證實(shí)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(yīng)用，如可視門鈴等。

 　　超寬帶（UWB）USB的優(yōu)點(diǎn)

　　超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）USB 也稱為“無(wú)線USB”，它是一種短距離無(wú)線通信的推薦標(biāo)準(zhǔn)，有望在不久的將來(lái)取代藍(lán)牙技術(shù)。

　　藍(lán)牙是目前短距離無(wú)線連接的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于藍(lán)牙與Wi-Fi（802.11g 標(biāo)準(zhǔn)）使用相同的頻段，因此可能存在干擾問(wèn)題。

　　另一方面，UWB 使用3.1-10.6GHz 的頻段，它的每個(gè)無(wú)線電信道均超過(guò)500MHz，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）對(duì)其有嚴(yán)格的傳送功率限制。

　　UWB 使用了極寬的頻段，同時(shí)發(fā)射功率較小，以便窄帶設(shè)備能夠檢測(cè)到信號(hào)。因此，UWB 能與其他的無(wú)線通信協(xié)議（如Wi-Fi）共存。

無(wú)線技術(shù)比較

　　總結(jié)

　　本文討論并演示基于USB 的家電自動(dòng)化。文中說(shuō)明了來(lái)自Microchip 的8 位PIC 單片機(jī)不僅能用于交流家電的控制，也完全可以用于解決數(shù)據(jù)記錄、用于需要類似音頻視流那樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

　　基于USB 的家電自動(dòng)化具有無(wú)限的空間。預(yù)計(jì)采用USB 控制的家電產(chǎn)品將迅速發(fā)展。無(wú)線USB 的標(biāo)準(zhǔn)化，將促進(jìn)基于USB 的家電自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)高帶寬、低干擾的無(wú)線連接。

　　參考文獻(xiàn)

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