USB通信系统有哪些基本常识及设计方案
2025-03-06 10:22:55
晨欣小编
通用串行总线（USB，Universal Serial Bus）是目前最广泛使用的数据传输接口之一。自 1996 年推出以来，USB 逐步取代传统的串口（RS-232）和并口（IEEE 1284），成为计算机、智能设备和嵌入式系统中不可或缺的通信标准。
USB 具有 即插即用（Plug and Play）、高速传输（High-Speed）、广泛兼容（Broad Compatibility） 等特点，被广泛应用于数据存储、音视频传输、外设控制等领域。本文将系统介绍 USB 通信的基本常识、协议规范，并探讨常见的 USB 设计方案，以帮助开发人员更好地理解和应用 USB 技术。
1. USB 通信的基本常识
1.1 USB 发展历程
USB 规范自推出以来，经历了多个版本的升级，传输速度和功能也不断提升：
USB 版本
最高速率
主要特性
发布年份
USB 1.0 | 1.5 Mbps（低速），12 Mbps（全速） | 最早的 USB 版本 | 1996 |
USB 2.0 | 480 Mbps（高速） | 兼容 USB 1.0，增加 OTG | 2000 |
USB 3.0 | 5 Gbps（超高速） | 全双工传输 | 2008 |
USB 3.1 | 10 Gbps（增强超高速） | Type-C 接口普及 | 2013 |
USB 3.2 | 20 Gbps | 多通道传输 | 2017 |
USB 4.0 | 40 Gbps | 兼容雷电 3，支持多协议传输 | 2019 |
USB 2.0 仍然是目前最常见的标准，而 USB 3.0 及以上版本逐步应用于高速数据传输设备，如固态硬盘（SSD）和高清视频传输。
1.2 USB 物理接口类型
USB 设备的物理接口种类繁多，不同接口适用于不同的应用场景：
接口类型
形态
主要用途
USB-A | 长方形 | 电脑、充电器 |
USB-B | 方形 | 打印机、工业设备 |
Mini-USB | 小型矩形 | 旧款数码相机、MP3 |
Micro-USB | 扁平矩形 | 安卓手机、小型电子设备 |
USB Type-C | 双面可插 | 新型笔记本、智能手机 |
USB Type-C 是目前最先进的 USB 接口，支持更高的数据传输速率，并可同时进行数据传输、充电和视频输出。
1.3 USB 通信协议
USB 采用 主从架构（Host-Device Model），即 USB 设备必须连接到主机（Host），如电脑、智能手机或嵌入式系统，才能进行通信。
1.3.1 USB 传输模式
USB 支持四种传输模式，以满足不同设备的需求：
传输模式
主要用途
特点
控制传输（Control Transfer） | 设备初始化、配置 | 低延迟，必须支持 |
批量传输（Bulk Transfer） | 文件传输（如 U 盘） | 速度快，但不保证实时性 |
中断传输（Interrupt Transfer） | 鼠标、键盘等输入设备 | 低延迟，定期传输 |
同步传输（Isochronous Transfer） | 音视频流 | 确保带宽，不保证数据完整性 |
不同类型的 USB 设备会使用不同的传输模式。例如，U 盘主要使用批量传输，而 USB 摄像头则使用同步传输，以确保流畅的视频数据传输。
2. USB 设计方案
USB 设计涉及 硬件接口、电路设计、驱动开发、协议实现 等多个方面。以下是几种典型的 USB 设计方案。
2.1 USB 转串口（USB to UART）设计
2.1.1 方案简介
USB 转串口（USB to UART）方案用于将传统的 RS-232/TTL 串行通信转换为 USB 通信，例如：
USB 转 TTL 模块（如 CH340、CP2102）
USB 转 RS-232 模块（如 FT232RL）
2.1.2 典型电路设计
以 CH340G 为例，其 USB 转串口电路如下：
VCC（供电）：5V 或 3.3V
TXD（发送） ↔ MCU RXD
RXD（接收） ↔ MCU TXD
GND（地） 连接系统地
这种方案广泛用于单片机开发和调试，如 STM32、ESP8266 等。
2.2 USB 设备端设计
2.2.1 方案简介
在嵌入式系统中，MCU 通过 USB 设备模式（Device Mode） 实现 USB 通信，例如：
USB HID 设备（如键盘、鼠标）
USB 大容量存储设备（如 U 盘）
USB 音频设备（如 USB 声卡）
2.2.2 硬件设计
使用带 USB 控制器的 MCU（如 STM32F103，内置 USB FS 控制器）
使用 USB PHY 芯片（如 USB3300）实现高速 USB 传输
在设计 PCB 时，需注意 USB 信号走线应 等长、差分布线、避免过长，以减少信号衰减和干扰。
2.3 USB 主机端（Host）设计
2.3.1 方案简介
USB 主机端主要用于嵌入式 Linux、Android 或 RTOS 系统，例如：
USB OTG 设备（如手机连接 U 盘）
嵌入式主机（如树莓派连接 USB 外设）
2.3.2 典型应用
USB OTG（On-The-Go）：支持设备在 主机 和 从机 之间切换，例如手机既可以作为 USB 设备（连接电脑），也可以作为 USB 主机（读取 U 盘）。
USB 供电设计：USB 供电最大电流通常为 500mA（USB 2.0）/900mA（USB 3.0），若设备功耗较高，需要外部电源供电。
3. 结论
USB 作为最主流的通信接口之一，广泛应用于 数据存储、外设控制、音视频传输和嵌入式系统 领域。
了解 USB 通信协议和物理接口，有助于正确选择 USB 方案。
设计 USB 硬件电路 时，需要注意 供电、信号完整性、PCB 走线 等问题。
在嵌入式系统中，USB 既可作为 主机（Host），也可作为 设备（Device），甚至支持 OTG 模式，适应不同应用需求。
随着 USB 4.0、Type-C 和 PD 供电 的普及，USB 技术将在 高速传输、多功能集成 方面持续发展，为未来电子设备提供更加高效、便捷的通信方案。
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