指紋采集系統(tǒng)中USB接口的設(shè)計(jì)(一)

指紋采集系統(tǒng)中USB接口的設(shè)計(jì)

目  錄

一、簡介 2

1.1  指紋采集 2

1.2  USB數(shù)據(jù)傳輸 2

1.3  課題的目的 3

二、USB規(guī)范和協(xié)議 4

2.1  USB物理接口和電平特性 4

2.1.1  USB物理接口 4

2.1.2  USB電平特性 4

2.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5

2.2.1  USB互連 5

2.2.2  USB設(shè)備 5

2.2.3  USB主機(jī) 7

2.2.4  USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 8

2.3  USB傳輸類型 8

2.4  USB協(xié)議 9

2.5  USB總線枚舉 11

三、指紋采集系統(tǒng)中USB接口的硬件設(shè)計(jì) 11

3.1  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 11

3.1.1  芯片選擇 11

3.1.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12

3.2  USB主控芯片－AN2131QC 13

3.2.1  AN2131QC結(jié)構(gòu)框圖 13

3.2.2  AN2131QC微處理器 13

3.2.3  AN2131QC端點(diǎn) 14

3.2.4  AN2131QC枚舉與重枚舉 15

3.3  輔助硬件電路設(shè)計(jì) 16

3.3.1  電壓調(diào)整模塊電路設(shè)計(jì) 16

3.3.2  I2C總線的EEPROM電路 17

3.3.3  串口電路(調(diào)試接口電路) 18

四、USB接口的軟件設(shè)計(jì) 18

4.1  AN2131QC固件程序設(shè)計(jì) 18

4.1.1  主程序 18

4.1.2  枚舉子程序 19

4.1.3  USB傳輸子程序 21

4.2  驅(qū)動(dòng)程序 23

五、結(jié)束語 25

致謝 26

參考文獻(xiàn)： 26

ABSTRACT 27

指紋采集系統(tǒng)中USB接口的設(shè)計(jì)

黃堂正

南京信息工程大學(xué)電子工程系，南京 210044

摘要：作為一種PC機(jī)與外圍設(shè)備間的高速通信接口 ，USB具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：連接靈活，無需定位及運(yùn)行安裝程序，無需連接外設(shè)時(shí)關(guān)機(jī)及重啟系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用；速度快，USB協(xié)議支持12Mb／S；不占用系統(tǒng)硬件資源，不存在硬件沖突問題，自動(dòng)檢測和配置外圍設(shè)備。本論文在介紹了USB1.1協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上 ,詳細(xì)地論述了指紋采集系統(tǒng)中USB接口的硬件電路設(shè)計(jì)、固件程序編寫和驅(qū)動(dòng)程序的過程。

關(guān)鍵詞：指紋識別；USB1.1協(xié)議；固件；程序

一、簡介

1.1  指紋采集

CMOS圖像傳感器是近年來得到快速發(fā)展的一種新型固態(tài)圖像傳感器。它將圖像傳感部分和控制電路高度集成在同一芯片里，體積明顯減小、功耗也大大降低，滿足了對高度小型化、低功耗成像系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器還具有集成度高、控制簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在通常的使用環(huán)境中，其成像質(zhì)量與CCD沒有明顯差異。因此隨著CMOS集成電路工藝的不斷進(jìn)步和完善，CMOS圖像傳感器己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種通用圖像采集系統(tǒng)中，特別是小型化的指紋采集系統(tǒng)中。

1.2  USB數(shù)據(jù)傳輸

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，以PC機(jī)為平臺發(fā)展的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的重要方向。對需要大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸方式對數(shù)據(jù)采集速度有至關(guān)重要的影響。

（１）計(jì)算機(jī)總線

計(jì)算機(jī)總線就是計(jì)算機(jī)幾個(gè)模塊間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ǖ馈＠�用總線，一個(gè)設(shè)備就可以完成與另一個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備之間的通信。一般來說，計(jì)算機(jī)總線分為：系統(tǒng)總線、外部總線、內(nèi)部總線三大部分。

①系統(tǒng)總線：用來與PC機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充槽上的板卡相連，它是微型機(jī)系統(tǒng)最重要的一種總線。一般談到微型機(jī)總線，指的就是這種總線。

②外部總線：它用于在系統(tǒng)之間進(jìn)行互聯(lián)，如微機(jī)之間，微型計(jì)算機(jī)與儀器或其他設(shè)備之間。常用的總線有RS-232C、IEEE-488、VXI、并行口、USB等。

③片內(nèi)總線：它位于微處理器芯片內(nèi)部，用于ALU（算術(shù)邏輯單元）及各種寄存器等功能單元之間進(jìn)行互聯(lián)。

（２）使用USB總線數(shù)據(jù)傳輸

對外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸必須利用計(jì)算機(jī)外圍總線接口。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸所用的計(jì)算機(jī)外圍接口多為并行口和串行口。但是計(jì)算機(jī)的并行口和串行口數(shù)量有限且傳輸速率不高，而計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備卻在日新月異的變化和增加，外設(shè)對傳輸速率的要求也越來越高，同時(shí)，對串行口和并行口的使用也無法做到熱插拔，安裝時(shí)仍需要關(guān)閉計(jì)算機(jī)。

為了解決以上問題，一種新型的USB（Universal Serial Bus通用串行總線）應(yīng)運(yùn)而生。1998年9月，USB-IF發(fā)布USB1.1規(guī)范，該版本為目前計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)以及硬件平臺支持，其傳輸速率支持12Mb/s和1.5Mb/s。2000年4月，USB-IF發(fā)布了USB2.0最新版本，其速率高達(dá)480Mb/s，同時(shí)兼容USB1.1規(guī)范，在操作系統(tǒng)WindowsXP和Windows2000中都提供支持。

USB的基本特點(diǎn)：

①使用方便。使用USB接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔，在軟件方面，為USB設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無需用戶干預(yù)。

②速度快。USB1.1支持高速和低速兩種方式：12Mbps和1.5Mbps，分別滿足不同設(shè)備的需要。最新推出的USB2.0速度可以達(dá)到480Mbps；

③擴(kuò)展方便。在USB設(shè)備上通常有USB下行端口，也有專用的集線器。這種擴(kuò)展方式使USB能夠接多個(gè)USB外設(shè)

④供電方式靈活。USB設(shè)備有兩種供電方式：總線供電和自供電。

⑤四種傳輸類型：中斷傳輸（Interrupt）、控制傳輸（Control）、塊（批量）傳輸（Bulk）和同步傳輸（Synchronization），滿足不同設(shè)備的需要。

1.3  課題的目的

在利用CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的指紋圖像采集的系統(tǒng)中，采集的指紋數(shù)據(jù)的傳輸是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，本論文就是采用USB1.1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來解決外置式指紋圖像采集系統(tǒng)與PC機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹捌款i”，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與PC機(jī)間準(zhǔn)確、快速和方便的傳輸。其內(nèi)容包括USB1.1協(xié)議規(guī)范的深入研究，USB傳輸接口硬件的設(shè)計(jì)，固件和驅(qū)動(dòng)的裝載。

二、USB規(guī)范和協(xié)議

2.1  USB物理接口和電平特性

2.1.1  USB物理接口

USB傳送信號和電源是通過一根四線的電纜，如圖１所示：電纜中使用Vbus、GND兩條線向設(shè)備提供電源（Vbus為＋５V）。但每個(gè)USB主機(jī)通過電纜只能提供有限的電源。  

圖1 USB的電纜

D+、D_是串行數(shù)據(jù)通信線，它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸率USB的全速信號的比特率為12Mb/s；低速信號傳送的比特率為1.5Mb/s。USB總線會(huì)根據(jù)USB設(shè)備情況在兩種傳輸速率中自動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.1.2  USB電平特性

USB主機(jī)(或集線器)和設(shè)備采用差分輸出驅(qū)動(dòng)器將數(shù)據(jù)信號驅(qū)動(dòng)到USB電纜上,其電平特性如表１所示：

表1　信號電平

總線狀態(tài) 信號電平

始端的源連接器 終端的目標(biāo)連接器

需要條件 接受條件

差分的“１” (D+)>Voh(min)                       (D)-<Vol(max) (D+)-(D-)>200mv  (D+)>Vih(min) (D+)-(D-)>200mv

差分的“０” (D-)>Voh(min)    (D+)<Vol(max) (D+)-(D-)>200mv      (D-)>Vih(min) (D+)-(D-)>200mv

單終端“０” (D+)和(D-)<Vol(max) (D+)和(D-)<Vih(max) (D+)和(D-)<Vih(min)

數(shù)據(jù)Ｊ態(tài)：　　　　全速　　　　        　低速 差分的“０”　　　　　　　　　　　　差分的“１” 差分的“０”　　　　　　　　　　　　　　　　　差分的“１”

數(shù)據(jù)Ｋ態(tài)：　　　　全速　　　　         　低速 差分的“１”　　　　　　　　　　差分的“０” 差分的“１”　　　　　　　　　　　　　　　　　差分的“０”

空閑狀態(tài)：　　　　全速　　　　　         低速 Ｎ.Ａ. (D-)>Vihz(min)       (D+)>Vil(max)          (D+)>Vihz(min)           (D-)<Vil(max) (D-)>Vihz(min)(D+)<Vih(min)(D+)>Vihz(min)(D-)<Vih(min)

喚醒狀態(tài) 數(shù)據(jù)Ｋ狀態(tài) 數(shù)據(jù)Ｋ狀態(tài)

包開始（SOP) 數(shù)據(jù)線從空閑態(tài)轉(zhuǎn)到Ｋ態(tài)

包結(jié)束(EOP) SEO狀態(tài)近似地為2個(gè)再持續(xù)1個(gè)空閑狀態(tài) SEO狀態(tài)至少1個(gè)，其后僅接著J態(tài)

斷開連接　　　　　　　　（在下行端口處） Ｎ.Ａ. SEO持續(xù)時(shí)間大于等于2.5微秒

連接　　　　　　　（在上行端口處） Ｎ.Ａ. 空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間大于等于2毫秒 空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間大于等于2.5微秒

復(fù)位 D+和D－小于Vo1(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于10毫秒 D+和D－小于Vil(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于10毫秒 D+和D－小于Vil(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于2.5毫秒

2.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)USB1.1系統(tǒng)主要被定義為三個(gè)部分:

·USB的互連；

·USB的設(shè)備；

·USB的主機(jī)。

2.2.1  USB互連

USB的互連是指USB設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面：

·總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式；

·內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置，USB的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個(gè)層次；