基于USB的家電自動化設計

近年來，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。本文介紹了建立在USB基礎之上的、創新的家電自動化應用，并以基于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。

　即插即用（Plug-n-play） 的簡單操作就是當家電插入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。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。

　　隨著功能豐富的新型半導體器件的高速發展，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。我們與周圍環境的互動，很大程度上是通過PC機進行控制的。

　　此外，從PC的角度看，USB使外圍設備初始化方面發生了巨大的變化，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，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。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，在沒有監護人的情況下，孩子無法去操作有潛在危險的家電。

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有一些優點，因為USB集線器能為連接在其上的設備供電，并在發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）。

　　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：
◆ 控制傳輸方式。控制傳輸在設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。
◆ 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。
◆ 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。
◆ 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。