指纹采集系统中USB接口的设计(一)

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指纹采集系统中USB接口的设计

一、简介 2

1.1 指纹采集 2

1.2 USB数据传输 2

1.3 课题的目的 3

二、USB规范和协议 4

2.1 USB物理接口和电平特性 4

2.1.1 USB物理接口 4

2.1.2 USB电平特性 4

2.2 系统结构 5

2.2.1 USB互连 5

2.2.2 USB设备 5

2.2.3 USB主机 7

2.2.4 USB系统拓扑结构 8

2.3 USB传输类型 8

2.4 USB协议 9

2.5 USB总线枚举 11

三、指纹采集系统中USB接口的硬件设计 11

3.1 系统硬件设计方案 11

3.1.1 芯片选择 11

3.1.2 系统结构 12

3.2 USB主控芯片－AN2131QC 13

3.2.1 AN2131QC结构框图 13

3.2.2 AN2131QC微处理器 13

3.2.3 AN2131QC端点 14

3.2.4 AN2131QC枚举与重枚举 15

3.3 辅助硬件电路设计 16

3.3.1 电压调整模块电路设计 16

3.3.2 I2C总线的EEPROM电路 17

3.3.3 串口电路(调试接口电路) 18

四、USB接口的软件设计 18

4.1 AN2131QC固件程序设计 18

4.1.1 主程序 18

4.1.2 枚举子程序 19

4.1.3 USB传输子程序 21

4.2 驱动程序 23

五、结束语 25

致谢 26

参考文献： 26

ABSTRACT 27

指纹采集系统中USB接口的设计

黄堂正

南京信息工程大学电子工程系，南京 210044

摘要：作为一种PC机与外围设备间的高速通信接口，USB具有许多突出的优点：连接灵活，无需定位及运行安装程序，无需连接外设时关机及重启系统，实现真正的即插即用；速度快，USB协议支持12Mb／S；不占用系统硬件资源，不存在硬件冲突问题，自动检测和配置外围设备。本论文在介绍了USB1.1协议规范的基础上 ,详细地论述了指纹采集系统中USB接口的硬件电路设计、固件程序编写和驱动程序的过程。

关键词：指纹识别；USB1.1协议；固件；程序

一、简介

1.1 指纹采集

CMOS图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。它将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器还具有集成度高、控制简单等诸多优点，并且在通常的使用环境中，其成像质量与CCD没有明显差异。因此随着CMOS集成电路工艺的不断进步和完善，CMOS图像传感器己经广泛应用于各种通用图像采集系统中，特别是小型化的指纹采集系统中。

1.2 USB数据传输

随着现代计算机技术的发展和普及，以PC机为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术发展的重要方向。对需要大规模数据传输的数据采集系统，其数据传输方式对数据采集速度有至关重要的影响。

（１）计算机总线

计算机总线就是计算机几个模块间进行信息传输的通道。利用总线，一个设备就可以完成与另一个设备或多个设备之间的通信。一般来说，计算机总线分为：系统总线、外部总线、内部总线三大部分。

①系统总线：用来与PC机系统扩充槽上的板卡相连，它是微型机系统最重要的一种总线。一般谈到微型机总线，指的就是这种总线。

②外部总线：它用于在系统之间进行互联，如微机之间，微型计算机与仪器或其他设备之间。常用的总线有RS-232C、IEEE-488、VXI、并行口、USB等。

③片内总线：它位于微处理器芯片内部，用于ALU（算术逻辑单元）及各种寄存器等功能单元之间进行互联。

（２）使用USB总线数据传输

对外置式数据采集系统，数据传输必须利用计算机外围总线接口。传统数据传输所用的计算机外围接口多为并行口和串行口。但是计算机的并行口和串行口数量有限且传输速率不高，而计算机外围设备却在日新月异的变化和增加，外设对传输速率的要求也越来越高，同时，对串行口和并行口的使用也无法做到热插拔，安装时仍需要关闭计算机。

为了解决以上问题，一种新型的USB（Universal Serial Bus通用串行总线）应运而生。1998年9月，USB-IF发布USB1.1规范，该版本为目前计算机操作系统以及硬件平台支持，其传输速率支持12Mb/s和1.5Mb/s。2000年4月，USB-IF发布了USB2.0最新版本，其速率高达480Mb/s，同时兼容USB1.1规范，在操作系统WindowsXP和Windows2000中都提供支持。

USB的基本特点：

①使用方便。使用USB接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。

②速度快。USB1.1支持高速和低速两种方式：12Mbps和1.5Mbps，分别满足不同设备的需要。最新推出的USB2.0速度可以达到480Mbps；

③扩展方便。在USB设备上通常有USB下行端口，也有专用的集线器。这种扩展方式使USB能够接多个USB外设

④供电方式灵活。USB设备有两种供电方式：总线供电和自供电。

⑤四种传输类型：中断传输（Interrupt）、控制传输（Control）、块（批量）传输（Bulk）和同步传输（Synchronization），满足不同设备的需要。

1.3 课题的目的

在利用CMOS图像传感器实现的指纹图像采集的系统中，采集的指纹数据的传输是一个十分重要的环节，本论文就是采用USB1.1规范标准来解决外置式指纹图像采集系统与PC机间数据传输的“瓶颈”，实现采集数据与PC机间准确、快速和方便的传输。其内容包括USB1.1协议规范的深入研究，USB传输接口硬件的设计，固件和驱动的装载。

二、USB规范和协议

2.1 USB物理接口和电平特性

2.1.1 USB物理接口

USB传送信号和电源是通过一根四线的电缆，如图１所示：电缆中使用Vbus、GND两条线向设备提供电源（Vbus为＋５V）。但每个USB主机通过电缆只能提供有限的电源。

图1 USB的电缆

D+、D_是串行数据通信线，它支持两种数据传输率USB的全速信号的比特率为12Mb/s；低速信号传送的比特率为1.5Mb/s。USB总线会根据USB设备情况在两种传输速率中自动动态转换。

2.1.2 USB电平特性

USB主机(或集线器)和设备采用差分输出驱动器将数据信号驱动到USB电缆上,其电平特性如表１所示：

表1　信号电平

总线状态信号电平

始端的源连接器终端的目标连接器

需要条件接受条件

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

单终端“０” (D+)和(D-)<Vol(max) (D+)和(D-)<Vih(max) (D+)和(D-)<Vih(min)

数据Ｊ态：　　　　全速　　　　　低速差分的“０”　　　　　　　　　　　　差分的“１” 差分的“０”　　　　　　　　　　　　　　　　　差分的“１”

数据Ｋ态：　　　　全速　　　　　低速差分的“１”　　　　　　　　　　差分的“０” 差分的“１”　　　　　　　　　　　　　　　　　差分的“０”

空闲状态：　　　　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)

唤醒状态数据Ｋ状态数据Ｋ状态

包开始（SOP) 数据线从空闲态转到Ｋ态

包结束(EOP) SEO状态近似地为2个再持续1个空闲状态 SEO状态至少1个，其后仅接着J态

断开连接　　　　　　　　（在下行端口处）Ｎ.Ａ. SEO持续时间大于等于2.5微秒

连接　　　　　　　（在上行端口处）Ｎ.Ａ. 空闲态持续时间大于等于2毫秒空闲态持续时间大于等于2.5微秒

复位 D+和D－小于Vo1(max)的持续时间大于等于10毫秒 D+和D－小于Vil(max)的持续时间大于等于10毫秒 D+和D－小于Vil(max)的持续时间大于等于2.5毫秒

2.2 系统结构

一个USB1.1系统主要被定义为三个部分:

·USB的互连；

·USB的设备；

·USB的主机。

2.2.1 USB互连

USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：

·总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；

·内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；

·数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；

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