基于USB的家电自动化设计

 近年来，通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）的使用为家电自动化引入了一种更为简单的实现途径。本文介绍了建立在USB基础之上的、创新的家电自动化应用，并以基于USB的照明控制为例，讲解了基于USB的家电自动化的基础知识。最后，本文比较了USB和其他用于家电自动化的主流无线技术（如ZigBee通信协议和Bluetooth无线通信协议等）的异同。 

 　即插即用（Plug-n-play） 的简单操作就是当家电插入PC上的USB端口，就会与PC交换USB家电参数，从而消除了对家电接口进行设置的繁琐工作。根据经由USB端口传送至PC的家电描述符，自动把家电配置为“就绪”状态。此外，在家电网络上添加或删除新家电，只要将它们简单地插拔即可。

　　随着功能丰富的新型半导体器件的高速发展，同时其价格也随之达到消费者可以承受的水平，我们正在见证一场家电行业中的自动化风暴。在这些技术进步中就包括了PC上USB的演化。现在，我们的日常生活中方方面面都会用到PC机。我们与周围环境的互动，很大程度上是通过PC机进行控制的。

　　此外，从PC的角度看，USB使外围设备初始化方面发生了巨大的变化，不再需要用户与PC机进行交互或关注PC机。USB协议非常智能，它能自动检测并驱动多达127个连接在其总线上的设备。可以预见，USB将能够最终控制和驱动绝大部分家电。

　　由于USB能实现家电自动化，它对于最终用户是有用的，包括USB自动洗衣机、烘干机、咖啡机、安保系统以及家电控制台，如图1所示。不仅如此，对于家电制造商而言，在新产品测试方面，USB也非常有用。

　　USB的演化发展，使得家电的即插即用成为现实，而这促使了操作系统供应商对标准USB驱动程序提供支持。比如说，Microsoft在其Windows操作系统（OS）的各版本中，提供了USB驱动程序支持，支持诸如人机接口设备（Human Interface Device，HID）、通信设备类（Communication Device Class，CDC）和大容量存储设备（Mass Storage Device，MSD）驱动程序。

　　USB的另一项重要用途与预付费设施有关。比如说，自动洗衣店可以向客户发行洗衣卡，洗衣卡可以通过USB端口进行读取，从而通过USB总线对洗衣机进行控制。USB总线提供了充足的数据率，用于记录设施数据和记录家电用电量明细。对于具有USB总线的家电而言，这类大容量存储USB特别适用于数据记录与控制。

　　USB还可以用在家电的安全使用上。例如，父母能够通过USB端口对家电锁定和解锁，防止孩子自己开启某些家电。这样能让人放心许多，在没有监护人的情况下，孩子无法去操作有潜在危险的家电。

USB总线架构

　　USB是每条总线支持一个主机的一种主机控制架构。大部分的PC上都有多个USB主机。设备能用集线器以菊花链方式连接到主机上。多个集线器能够以菊花链方式连接起来，支持多达127个不同设备，每个菊花链段长度不能超过五英尺。

　　这种菊花链式连接，形成了称为层式星状（Tiered Star）的拓扑结构,它与10-Base T以太网类似。与以太网拓扑结构相比，USB有一些优点，因为USB集线器能为连接在其上的设备供电，并在发生过流现象时关闭设备。USB集线器还能适当过滤主机和设备间的数据，实现低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）设备的无缝集成。

　　USB是即插即用型协议，能动态加载和卸载USB驱动程序。要加载USB驱动程序，必须有USB提供商标识符（VID）和产品标识符（PID）。

　　VID用来识别USB总线的制造商。通常，VID由名为“通用串行总线开发者论坛”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）组织分配，申请者需要支付注册VID费用。与VID类似，PID是一个16位数字，PID标识的是产品，设备制造商提供PID号。不同于VID，对于PID来说，USB-IF对其没有任何管理上的限制。

　　USB的另一个重要特性是它支持不同类型的数据传输方式。例如，USB V2.0支持四种不同类型的数据传输：
◆   控制传输方式。控制传输在设备插入时对其进行配置，并能用于其他的设备特定用途，诸如对设备上的其他通道进行控制等。
◆   批量传输方式。在数据的产生和使用量相对较大时采用批量传输方式。
◆   中断传输方式。中断传输用于及时且可靠的数据传送。例如，具有人类可感知反应或反馈响应特征的字符或坐标等。
◆   同步传输方式。同步传输方式在预先约定的传输延迟时间占用预定的USB带宽，同步传输也称为“流实时传输”。

　　A型USB连接器专用于数据下行传输，即数据从设备传输到主机，所以，A型连接器位于设备上。

　　B型USB连接器专用于数据上行传输，即数据从USB主机传输到设备或从集线器传输到设备，B型连接器位于主机和集线器上，如图2所示。有时为了使占用空间更小，可以使用微型USB连接器。
USB设备通过拉高D+或D-端线电平来指示其速度，最高为3.3伏。全速设备在D+端接一个上拉电阻表明它是全速设备，如图3所示。

　　如果没有上拉电阻，USB就假定总线上没有连接任何东西。有些设备中，上拉电阻是内置的，能通过固件开启和关闭。另一些设备则需要外部上拉电阻。在这种情况下，通过固件进行速度控制会受到限制，并且要求另外对外部中继服务进行实现与编码。
低速设备在D-端连接上拉电阻，表明其为低速设备，如图4所示。最开始，高速设备被当作全速设备进行连接（D+→1.5k至3.3V）。初始连接之后，设备在复位时将发出高速的啁啾声，然后与主机建立高速连接。一旦设备经初始化进入高速模式，上拉电阻就被禁用。

USB数据流模式

　　在设备可以与应用进行通信前，USB主机需要了解设备状态并给它分配设备驱动程序，实现这一初始信息交换的过程就叫作枚举。在枚举过程中，根据USB V2.0规范的定义，设备将经历以下设备状态：
◆  上电状态（Powered）
◆   缺省状态（Default）
◆   地址状态（Address）
◆   配置状态（Configured）

　　另外还有两个USB设备状态，“连接状态”（Attached）和“挂起状态”（Suspended）。枚举过程的具体细节超出了本文的范围；不过，在设备配置中使用的命令与结构是相关的。描述符是让USB主机能获取设备信息的数据结构。在枚举过程中，主机请求描述符，从最上层设备描述符开始，一直到最低层端点描述符，顺序如图5所示。

枚举过程

　　下面概述一下USB设备的枚举过程所包含的步骤，并讲解设备在枚举过程如何经历从上电到缺省、地址以及配置这几个状态。
◆  用户将一个USB设备插入USB端口，主机为端口供电，设备此时处于上电状态。
◆  主机检测设备。
◆  集线器使用中断通道将事件报告给主机。
◆  主机发送Get_Port_Status（读端口状态）请求，以获取更多的设备信息。
◆  集线器检测设备是低速运行还是高速运行，并将此信息送给主机，这是对Get_Port_Status请求的响应。
◆  主机发送Set_Port_Feature（写端口状态）请求给集线器，要求它复位端口。
◆  集线器对设备复位。
◆  主机使用Chirp K信号来了解全速设备是否支持高速运行。
◆  主机发送另一个Get_Port_Status请求，确定设备是否已经从复位状态退出。
◆  设备此时处于缺省状态，且已准备好在零端点通过缺省通道响应主机控制传输。缺省地址为00h，设备能从总线获取高达100mA的电流。
◆  主机发送Get_Descriptor（读设备描述符）报文，以便确定最大数据包大小。设备描述符的八个字节是bMaxPacketSize。
◆  通过发送Set_Address（写地址）请求，主机分配地址，设备此时处于地址状态。
◆  主机发送Get_Descriptor报文，以获取更多的设备信息。主机通过发送描述符响应设备请求，随后发送全部的次级描述符。
◆  主机分配并加载设备驱动程序。
◆  通过发送Set_Configuration（写配置）请求，主机的设备驱动程序选择一个有效配置，设备此时处于配置状态。
◆  主机为复合设备接口分配驱动程序。
◆  如果集线器检测到有过流现象，或者主机要求集线器关闭电源，则USB总线切断设备供电电源。在这种情况下，设备与主机无法通信，但设备处于连接状态。
◆  如果在3毫秒内设备在总线上未见任何动作，则它将进入挂起状态，在挂起状态设备消耗的总线电能最少。
USB协议层
控制传输使主机和设备之间可以交换设备配置信息和其他控制信息。控制传输在低速和全速传输运行时占用10%的带宽，在高速运行时占用20%的带宽。控制传输由设置阶段、可选的数据阶段和状态阶段组成，下面详细描述每个阶段的包。
◆   标记包。USB中所有事务都是由主机（PC）来完成的。IN表示数据被读入PC，OUT表示数据由主机送出至设备，如图6所示。
◆  数据包（可选）。USB主机有两个数据包——DATA0和DATA1。每一个包的容量为1024字节。
◆  状态包。在诸如应答（ACK）、否定应答（NACK）以及停止（Stall）等事务中，状态包用来跟踪USB状态。
◆  帧起始包（SOF）。每一毫秒，USB主机都将发送一帧SOF，每帧有11位数据。

基于USB的家电网络

　　在基于USB的家电网络中，可以以菊花链式连接6个USB集线器，为多达127台家电设备提供接口。所有的集线器能安放在一个集线盒中，集线盒则通过控制电缆连接到设备上。这也可以由带USB端口、运行Windows OS的单板机进行控制，最终将为家中每个房间配备一个家电控制台。

　　通过USB自动化，您在与朋友聊天的同时，可以通过PC控制洗衣机的运行时间、衣服类型、清洗剂类型以及水温等。您也可以为每项任务添加音频特征，这样当每项任务完成时，您可以在某个特定的地方（卧室、客厅、游泳池或厨房等）收到音频提示。此外，烘干机可以通过USB自动接收指令，从洗衣机处装入衣服，设置烘干时间，然后自动计时烘干，在每项任务成功完成后均有音频提示。

　　通过USB自动化，您可以在办公桌上控制咖啡机，不仅仅是煮咖啡，还能检测咖啡壶中还剩多少咖啡，USB自动化甚至可以使您能煮出符合自己口味的咖啡。USB还可以使您看到冰箱内部的情况，设置特定的触发开关来检测剩余的牛奶、饮料、奶酪以及蔬菜量。根据这些信息，当您计划去商场时，可以从PC中快速汇总食品采购清单。照明自动化是居家的基本需求。通过USB自动化，能够检查全屋的照明情况，并通过PC对其进行控制。

　　USB与温度传感器配合使用，能够自动控制房屋某处电风扇和空调的运行。这样，可以使不同的房间或“区域”保持不同的温度，以便节能。此外，电风扇和空调可以自动地分担制冷负荷。而在家庭安保方面，使用USB自动化，可以通过PC控制门锁、查看门锁状态，在卧室就可以关闭或打开房门。

　　此外，USB自动可视门铃能用于防止入侵者进入房屋。USB自动化也使您能通过PC打开和关闭窗户及窗帘。家电USB自动化的潜力是无穷的，采用现代技术，USB自动化就是把家电或设备与PC上USB端口连接，如图7所示。

超宽带USB的优点

　　超宽带（Ultra Wide Band，UWB）USB也称为“无线USB”，它是一种短距离无线通信的推荐标准，有望在不久的将来取代蓝牙技术。蓝牙是目前短距离无线连接的行业标准，但由于蓝牙与Wi-Fi（802.11g标准）使用相同的频段，因此可能存在干扰问题。

　　另外，UWB使用3.1～10.6GHz的频段，它的每个无线电信道均超过500MHz，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）对其有严格的传送功率限制。UWB使用了极宽的频段，同时发射功率较小，以便窄带设备能够检测到信号，因此，UWB能与其他的无线通信协议（如Wi-Fi）共存。

　　本文讨论了基于USB的家电自动化，文中说明了来自Microchip的8位PIC单片机不仅能用于交流家电的控制，也完全可以用于解决数据记录、用于需要类似音频视流那样的实时应用。基于USB的家电自动化具有无限的空间，预计采用USB控制的家电产品将迅速发展。无线USB的标准化，将促进基于USB的家电自动化，实现高带宽、低干扰的无线连接。