摘 要

随着电脑芯片处理器性能的日益发展，计算机开始逐步承担起各式各样领域的任务。伴随着外接设备种类的日益广泛，计算机本身的信息传输硬件设备已经开始显露出不足。此时USB接口出现在人们的视野中，USB作为近年来非常流行的标准计算机外设接口，在拥有高速传输速率的同时，其简单便捷的接口更是受到了广泛的欢迎。如此可见，高速的USB接口的设计将会最大效率的增强接口兼容性和信息传输效率，它的研究与发展已经成为了一种必然的趋势。

本文从USB协议的基本概念出发，首先从 USB系统的组成、信号的传输、发送与接收的过程、数据的传输类型等方面充分阐述了USB2.0通信协议的关键特点，从而对后面USB接口电路的开发设计工作提供了充分的技术支持；其次分析了USB接口电路的总体设计方案，主要完成了接口电路的芯片选择工作，各电路模块的设计仿真工作，使电路实现最高效率的传输工作。硬件设计的同时实现了对于USB总体电路的PCB layout的设计与实现；最后从Windows XP内核模式下的WDM型驱动程序的基本特征和概念出发，介绍了所需要的开发环境特点，说明了设计工具的调试安装过程，完成了USB设备驱动程序的实现。

文章的最后对整个设计过程进行了完整总结，讨论了本次毕业设计的收获与经验，完整的概括了完成本次设计的方案方法和操作步骤。与此同时也提出了设计过程中的不足之处，讨论了在今后的设计中应该改进的地方，最后对USB的未来发展做出了展望。

关键词：USB接口；2.0通信协议；PCB layout；驱动程序

Abstract

With the development of computer chip processor performance, the computer began to gradually take on numerous tasks in the field of all kinds. And with the increasingly wide variety of external devices, computer hardware information transmission itself has begun to show deficiencies. In this case the USB interface appear in people's vision, at the same time of high-speed transmission rate, it is simple and convenient that has been widely welcomed. So we can see the research and development of USB has become an inevitable trend.

In this paper, first we start with the basic concept of the USB protocol, talk about the USB2.0 protocol key features from the USB system consisting of the transmission signal, the process of sending and receiving, data transmission and other aspects; Secondly, it analyzes the overall design of USB interface circuit, mainly to complete the work of the interface circuit chip select, design and simulation work of the circuit module, the circuit to achieve the most efficient transmission job. After that we make a PCB layout for it; finally, we introduce the basic features and concepts Windows XP kernel-mode WDM type drivers, talk about the required development environment characteristics described debugging installation process design tools to complete the realization of USB device driver.

In the end the entire design make a complete summary for the work.At the same time we also made the design process deficiencies discussed in future designs which should be improved, and finally talk about the future development prospect of USB .

Keywords: USB interface; 2.0 communication protocol; PCB layout; USB device driver

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的背景 1

1.2 本设计研究的目的及意义 2

1.3本人的主要工作以及论文结构安排 2

1.3.1 本人的主要工作 2

1.3.2 论文结构安排 2

第2章 USB协议分析 4

2.1 USB系统 4

2.2 USB电源与电气特征 5

2.3 USB信号分析 5

2.3.1 USB信号编码方式 6

2.3.2 高速USB信号的眼图 6

2.4 USB通信协议 7

2.4.1 USB信息处理 7

2.4.2 USB数据传输类型 7

2.5 USB设备 8

2.5.1 总线列举机制 8

2.5.2 USB描述符 9

2.5.3 设备请求 10

2.6 本章总结 10

第3章 USB接口电路设计 11

3.1电路设计方案论证与选择 11

3.2 芯片ISP1581的特点介绍 11

3.3 硬件电路设计 12

3.3.1 ISP1581与F2812芯片连接电路 12

3.3.2 USB供电电路 13

3.3.3 JTAG电路 13

3.3.4 USB芯片控制电路 14

3.4 USB接口电路的PCB layout设计 15

3.4.1 Altium Designer10概述 15

3.4.2 原理图的绘制 15

3.4.3 PCB设计 16

3.5 本章总结 18

第4章 USB设备驱动程序的设计 19

4.1 驱动程序概述 19

4.2 WDM设备驱动程序 20

4.2.1 WDM概述 20

4.2.2 USB设备的WDM型驱动程序 20

4.3 设备驱动程序的具体开发过程 21

4.3.1 开发环境 21

4.3.2 驱动环境设置 21

4.3.3 利用Numega DriverStudio生成USB驱动程序基本框架 22

4.3.4 驱动关键例程的代码实现 23

4.4 驱动程序的仿真 26

4.5 驱动程序的安装 27

4.6 本章总结 27

第5章 全文总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景

信息技术的革命是如今时代的主要研究特征，随着计算机微处理器芯片性能的飞速发展，计算机逐渐在各个领域承担起各种各样的复杂任务，伴随着这种广泛应用，随之而来的问题就是计算机本身软硬件资源的严重不足。在USB接口出现之前，不同的外设设备需要对应各种不同的外设电缆接口。这些接口的普遍缺点即是传输速率偏慢，而其中更大的问题则体现在技术方面，每出现一个新的外设都要重新设计一个新的接口卡，才能够兼容这种外设，然而主机所能提供的资源却非常有限。所以，如何与外设进行更有效率的连接成为了人们关注的焦点。在这种大背景下，USB（Universal Serial Bus）应运而生。

USB即串行通用总线，是一种计算机与外部设备连接的新型接口，其对于传统的串并行接口具有很多独特的特点。其中最重要的是使用方便、连接灵活及传输速率快等特点。于是各种各样的接口形成了统一的模式，通过这种统一的模式接口，各种不同的外设可以通过其被连接到主机。传输速度是衡量USB设备的一个重要指标，随着USB的发展，USB协议已经从最初的只有1.5Mbps和12Mbps的1.1版本，发展到高达480Mbps的2.0版本，如今已经出现的3.0版本的速度更是成倍的增长，这使得USB成为我们信息生活中的一种重要的传输媒介^[1]。