三防平板电脑通用串行通信总线（Universal Serial Bus，USB）是在1994年年底由Intel、Compaq及Microsoft等多家公司联合提出的一种新的同步串行总线标准，目前已成功替代串口和并口，成为现在计算机与大量智能设备的必配接口。三防平板电脑的USB 主要用于 PC、智能设备与外围设备的互连，如U盘、移动硬盘、MP4、键盘、鼠标、打印机、数码相机、手机等。

USB 版本经历了多年的发展，曾先后公布了三代的 USB 规范版本，目前已经发展为USB3.1版本。USB标准主要特征如表1所示。

表1 三代USB标准主要特征

USB1.0是在1996年提出的，速度只有1.5 Mbps，1998年升级为USB1.1，速度提升到了12 Mbps。

USB2.0是由USB1.1规范演变而来的，它的传输速率达到了480 Mbps。USB2.0中的增强主机控制器接口（EHCI）定义了一个与USB1.1相兼容的架构，它可以用USB2.0的驱动程序驱动USB1.1设备，也就是说所有支持USB1.1的设备都可以直接在USB2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题，并且USB线缆、插头等附件也都可以直接使用。

USB3.0的理论速度为5.0 Gbps，USB3.1标准传输速度为10 Gbps，这将极大提升传输速度。

USB3.1供电标准提升至20 V/5 A、100 W，能够极大地提升设备的充电速度，同时还能为笔记本、投影仪甚至电视等更高功率的设备供电。USB3.1的接口标准共有三种，分别是USB Type A、USB Type B及三防平板电脑中USB Type-C，如图1（a）所示，USB3.1接口插件的引脚分配如图6-6（b）所示。USB Type-C有望成为统一各接口的标准接口，但它未必支持USB3.1标准，同样使用了USB3.1标准的接口不一定就是USB Type-C接口。目前部分高档的便携式设备只需要内置一个USB Type C接口，便可满足供电、传输的需求。注意，新型USB Type-C插口不再分正反。

三防平板电脑中USB串行总线通信具有如下特点。

（1）热插拔（即插即用），即设备不需重新启动便可以工作。这是因为USB协议规定在主机启动或USB设备与系统连接时都会对设备进行自动配置，无须手动设置端口地址、中断地址等参数。

（2）传输速率高，USB1.1的最高速率为12 Mbps，USB2.0高达480 Mbps，USB3.0高达5 Gbps，USB3.1高达10 Gbps。

（3）连接方便、易于扩展。USB接口标准统一，使用一个4针插头作为标准，可通过串行连接或者集线器Hub连接127个USB设备，从而以一个串行通道取代PC上一些类似串行口和并行口的I/O端口。这样更容易实现嵌入式系统与外设之间的连接，让所有的外设通过协议来共享USB的带宽。

（4）USB接口提供了内置电源，在不同设备之间可以共享接口电缆，同时在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并能区分高速设备或低速设备。USB主接口提供一组5 V的电压，可作为USB设备的电源，可基本满足鼠标、读卡器、U盘等大多数电子设备的供电需求。

（5）携带方便，USB设备大多以小、轻、薄见长，对用户来说，随身携带很方便。

三防平板电脑中国一个USB接口内部一般由USB主接口（Host）、USB设备（或称为从接口，Device）和USB互连操作三个基本部分组成。USB主接口包含主控制器和内置的集线器，主机通过集线器可以提供一个或多个接入点（端口）;USB设备通过接入点与主机相连；USB互连操作是指 USB 设备与主机之间进行连接和通信的软件操作。USB 在高速模式下通常使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超过5 m；而在低速模式时，可以使用不带屏蔽的双绞线或者其他连线，但最长不能超过3 m。USB接口是通过四线电缆传输信号并与外部设备相连的，其接口插件引脚分配如图6-6（b）所示，其中，D+和 D-是互相缠绕的一对数据线，用于传输差分信号。三防平板电脑中USB主机中的VBus和GND分别为电源和地，可以给外部设备提供5 V的电源。注意，USB设备中的电源端VBus采用无源形式。

USB采用单极性、差分、不归零编码方式，支持半双工通信的串行数据传输。按照USB协议，通过USB主机与USB设备之间进行的一系列握手过程，USB主机可知道设备的情况并知道该如何与USB设备通信，还可为USB设备设置一个唯一的地址。常见的USB接口支持同步传输、中断传输、批量传输和控制传输四种信息传输方式。

USB接口的基本工作过程如下：

● USB 设备接入 USB 主机后（或有源设备重新供电），USB 主机通过检测信号线上的电平变化判断是否有USB设备接入；

● USB主机通过询问USB设备获取确切的信息；

● USB主机得知USB设备连接到哪个端口上并向这个端口发出复位命令；

● USB设备上电，所有的寄存器复位并且以默认地址0和端点0响应命令；

● USB主机通过默认地址0与端点0进行通信并赋予USB设备空闲的地址，USB设备可对该地址进行响应；

● USB主机读取USB设备状态并确认USB设备的属性；

● USB 主机依照读取的USB设备状态进行配置，如果USB设备所需的USB资源得以满足，就发送配置命令给USB设备，该USB设备就可以使用了；

● 当三防平板电脑通信任务完成后，USB 设备被移走时（无源 USB 设备拔出 USB 主机端口或有源USB设备断电），USB设备会向USB主机报告，USB主机关闭端口并释放相应资源。

目前，嵌入式系统的USB接口有两种实现方法：一种是处理器自带USB接口控制器，如三星公司的S3C2440、意法半导体公司的STM32系列、飞利浦公司的LPC2100系列等；另一种是微处理器不带有USB接口控制器，需要外接专用的USB接口芯片，如飞利浦公司的PDIUSBD12等。PDIUSBD12内部结构和与MCU连接示意图如图6-7所示。

图2 PDIUSBD12内部结构和与MCU连接示意图

三防平板电脑在一个完整的嵌入式 USB 系统中，不仅应包括 USB 硬件接口，还要在软件上编写 USB控制器程序和USB设备驱动程序等。以PDIUSBD12实现USB从设备的使用为例，在完成硬件连接后，还需要在软件中完成发送USB请求、等待USB中断、设置相应的标志、处理USB总线事件、PDIUSBD12命令接口，以及面向硬件电路的底层函数及驱动程序编写等工作。

因此，在设计嵌入式系统时，应当优先选用内部带有USB主机或USB设备功能的微处理器，使用其内部集成的USB功能，以及对应厂商提供的函数库、例程等，以便提高开发效率。