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基本信息

項目名稱:
USB設備互聯控制器
小類:
信息技術
簡介:
USB設備互聯控制器是基于ARM9與嵌入式Linux,用以實現移動設備互聯通信的控制模塊。針對普遍使用的移動數碼設備,提出一種以USB控制器為核心、以手機為主控制端的方案實現移動設備間的互連。采用TQ2440 ARM9 開發板和嵌入式Linux系統構建USB控制器,并設計軟件實現對手機操作系統的跨平臺支持,能夠有效地實現手機和USB存儲設備之間的文件傳輸、手機對USB打印機的控制等功能。
詳細介紹:
目前,人們使用著各種各樣的移動設備,如手機、MP3、數碼相機等,其中手機的使用最為廣泛。盡管這些移動設備大都具備USB接口,但在目前的技術環境下,要讓手機和其他USB設備進行通信卻必須借助于PC或類PC產品。由于這種產品的便攜性較差,所以無法隨時隨地的使身邊的各類設備相互通信、共享資源,也就無法充分發揮其功能為人們的生活提供更多便利。 現有的USB-OTG技術是比較成熟的移動設備通信技術之一,其特點在于具有OTG功能的設備既可以作為主設備又可以作為從設備,兩個OTG設備相連可以輪流作為主從設備。由于OTG技術要求每個設備有一個支持的外設式OTG目標設備列表,并僅對列表中的設備提供支持,所以OTG應用僅限于某些特定設備。而且,現在的數碼產品升級換代速度很快,新一代OTG設備很難得到向后兼容。 本項目設計并實現了一種便攜式通用USB控制器,使其充當可攜帶的通用媒介,實現現有大多數型號的手機對多種USB設備的簡單控制和數據交換。利用這種方式對各類移動設備的功能加以整合,并充分利用手機的網絡功能,最大限度地發揮它們的作用。 整個系統以USB控制器為中心,手機和USB設備分別使用一根USB數據線線與之相連,采用USB 2.0協議進行通信。用戶在手機上輸入命令,手機分析后發送到USB控制器,控制器識別并控制外設進行相應操作,然后將結果返回手機顯示給用戶。 手機和USB設備選擇日常使用的種類,USB控制器由ARM 9開發板和嵌入式Linux系統來實現。ARM9開發板載有基于ARM920T的16/32位RSIC微處理器TQ2440,主頻可達400MHz。該芯片性價比高、功耗低,含有豐富的片內外設,主要用于手持設備和移動終端。開發板上還有64M SDRAM存儲器和NAND Flash用于擴展功能。USB HUB提供4個USB端口分別連接手機和其他外設。隨著手機芯片性能的不斷提高,未來可將該USB控制器的功能集成在手機中,使得用戶隨身攜帶的手機能夠隨時隨地與常見的USB外設實現互連和通信。 為實現手機作為主控制端與多種USB外設進行互連和通信,需要分別在手機和控制器上設計相應的軟件,手機和控制器通過USB協議進行信息交互。USB控制器軟件系統負責識別各類USB外設,解釋手機送來的指令并驅動外設執行,最后向手機返回執行結果。手機軟件系統負責向用戶提供友好的操作界面,接受用戶命令并傳送給USB控制器,待執行完成后將結果反饋給用戶。 為了驗證USB控制器系統的功能和性能,本文在不同的手機上進行了打印和存儲功能的測試。本文分別利用Samsung SGH-I458和Nokia 5233手機通過該USB控制器操作惠普laserjet 1010打印機,均能實現成功打印。 隨著Internet和移動通信網絡的發展和融合,手機作為Internet終端能夠實現網絡瀏覽和下載等功能,因此利用手機隨時隨地將網絡上的多媒體或教學資源下載到U盤等移動設備將會為人們帶來很大便利。采用Nokia N75手機操作4GB 金士頓U盤,本項目所設計的cd、ls、mkdir、rmdir、rm、rn和cp等命令都能夠正確執行。 本項目的測試結果表明,使用該USB控制器系統可以實現手機對U盤和打印機的控制,并且兼容不同型號的手機和U盤。文件的增大減少了控制開銷所占的比例,U盤的傳輸速率可以達到250KB/s左右,能夠滿足用戶需求。因此不難看出,對于數碼相機、MP3等與U盤類似的存儲類USB設備,及攝像頭、掃描儀等與打印機類似的設備,該系統也能夠實現數據交換和信息共享的功能。 USB控制器適用于大多數手機持有者,適用的場合和功能取決于用戶意愿及其所選擇的USB外設。根據信息產業部公布的統計數據,中國的手機用戶數量目前已逾8億,超過了10多年前全球手機用戶的總和。同時,迪富調研網曾抽取2000多名用戶進行一個數碼產品普及率的調查,接受調查的用戶的92%都擁有手機,手機的普及率最高;其次是MP3和數碼相機,普及率分別達到了79%和53%;僅有3%的用戶表示目前沒有使用任何以上數碼產品。如此可以估算這些用戶中同時擁有手機和其他數碼產品的用戶至少為76%,因此本文實現的USB控制器的應用范圍和市場前景是很大的。

作品圖片

  • USB設備互聯控制器
  • USB設備互聯控制器
  • USB設備互聯控制器

作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

(1)發明目的: 在目前技術環境下,想要讓手機和其他USB設備進行通信卻必須借助PC或類PC的產品,以其作為核心來運轉。由于PC相對較重難以攜帶,使得我們不能隨心所欲的讓信息在移動設備間流通。 項目目標是設計制作一種便攜式通用USB控制器,它充當一種可攜帶的通用媒介,實現大多數型號手機對多種USB設備的簡單控制及兩者之間的數據通信功能。 (2)基本思路: 以USB2.0為通信協議,將手機、USB控制器、USB設備三部分組成臨時通信系統。手機和USB設備選擇日常使用的種類,USB控制器由ARM單片機來實現。在手機和單片機兩端分別編寫客戶程序和服務程序。 (3)創新點: 將最大眾化的手機作為與用戶交互的平臺,通過手機操縱其他設備。對于一個控制器,控制端可以為大多數品牌型號的手機,而被控制端的其他設備則既包括MP3、移動硬盤這樣的存儲類設備,也包括鍵盤、打印機等功能性設備。這些特點保證項目成果具有較高實用性,市場推廣價值高。 (4)技術關鍵點: 一方面是找到一種機制,能夠使只具備USB Slave接口的手機作為控制端發揮Host的功能,并且此機制要適用于大多數品牌型號的手機;另一方面是在擴展控制器驅動對象的同時要注意節約其占用的處理資源與功耗。 (5)主要技術指標: 第一是便攜性要求,即控制器的體積和重量;第二是通用性要求,即控制器支持的手機和外設種類數;第三是正常運轉的時間效率,即完成各類指令的平均時間,要滿足用戶對所執行不同操作的期望。

科學性、先進性

與現有比較成熟的USB-OTG技術和IEEE 1394技術相比,我們的項目有領先的地方。 首先,在連接模式方面,OTG技術和IEEE 1394追求的是任意點對點的通信,而我們試圖構建的是以目前通用手機為核心的USB設備通信網絡,同時覆蓋的面積更大。 其次,在傳輸速率方面,與USB OTG協議相比,我們采用的USB2.0協議傳輸速率更快,效率更高。雖然不如IEEE 1394那樣高效,但已經足夠便攜設備使用。 第三,USB-OTG芯片通常集成在數碼設備內部,依靠設備的微處理器工作,IEEE 1394總線的要求更高,要求微處理器有很快的處理速度。我們設計制作的控制器不依附于任何微處理器。用戶無需更新現有設備,只要在手機上安裝對應的客戶軟件就可以使用,節省了不少費用。 最后,我們的項目更容易解決兼容性問題。由于使用的是通用USB2.0標準,各類數碼設備的驅動很容易找到,經過簡單的修改和編譯就可以移植到我們的控制器上。

獲獎情況及鑒定結果

暫無獲獎經歷或鑒定結果,正在籌劃申請專利。

作品所處階段

實驗室階段

技術轉讓方式

實用新型專利 軟件著作權

作品可展示的形式

模型 圖片 錄像

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

(1)使用說明 用戶只需在手機上安裝好客戶程序,將手機和待操作的設備同時連接到USB控制器上,然后在客戶程序中發布指令即可。 (2)特點和優勢 用戶只需增加控制器一項設備就能將身邊現有的USB設備進行連接。實現的功能取決于設備的種類,設備越多功能就越強。 (3)適用范圍及推廣前景 該作品適用于大多數擁有手機的人群,適用的場合取決于用戶的意愿,功能取決于設備的選擇。現今的市場環境中,與該作品有類似功能的產品很少,基本是空白,因此該作品面對的市場廣闊,推廣前景也是比較光明的。 (4)市場分析及經濟效益 迪富調研網曾抽取2000多名用戶進行一個數碼產品普及率的調查。在接受調查的用戶中,92%的人擁有手機,手機的普及率最高。其次是MP3和數碼相機,普及率分別達到了79%和53%。僅有3%的用戶表示目前沒有使用任何以上數碼產品。如此可以估算這些用戶中同時擁有手機和其他數碼產品的用戶至少占76%,可見項目產品面對的潛在市場是巨大的。

同類課題研究水平概述

USB OTG技術及應用 作為USB2.0的補充規范,USB OTG具有更節能性的電源管理和允許設備以主從兩種方式工作的特性。OTG可分為:兩用OTG設備和外設式OTG設備。前者完全符合USB2.0規范,同時它還要提供一個Mini AB插座、支持主機的流通協議HNP和外設式OTG設備一樣支持的事務請求協議SRP。兩用OTG設備可以作為USB外設或者USB OTG主機,并且可為總線提供8mA電流。而外設式OTG設備不具備主機性能,它必須在向兩用設備(主機)的請求獲準后才能通信。然而USB OTG有許多的不足: (1)傳輸速度問題 OTG在實際的數據傳輸中要完成一個數據包的發送,而不同的CPU、不同的總線、數據地址線的復用、協議的不同實現方法都可能導致包間隙急劇上升,從而使OTG的實際傳輸速度比480Mbps低很多。 (2)兼容性問題 目前支持OTG功能的外設、數碼產品已經相當豐富,OTG技術要求每個DRD設備有一個支持的外設式OTG目標設備的列表來對OTG設備提供支持,但目前數碼產品升級換代速度極快,舊的設備往往無法支持新OTG設備,因此兼容性還有待提高。 (3)接口接觸問題 長期插拔數碼產品的USB端口容易出現松動。例如,采用直接插拔的數碼相機在使用一段時間后容易出現USB端口的松動,并且很快就會接觸不良,因為所有的數碼相機的USB端口都不能承受如此頻繁的使用。 (4)傳輸距離問題 兩個OTG設備之間的傳輸距離最多是5m,而RS-232,RS-485和Ethernet等,則允許使用更長的電纜。此外就是USB-OTG存在工作不穩定缺點,在實際使用中也會經常出現死機,或者工作異常,無法傳輸等問題。 總的來說,USB OTG規范是為了解決目前USB接口無法脫離主機進行單獨通信而提出的對USB規范的一種補充,新OTG特征僅針對具有主機能力的便攜式設備是必要的,對于與雙角色設備一同使用的外圍設備就不一定完全必要了。當然,OTG在這些外設間引入了點對點的通信方式,這使得便攜式產品的發展有了更加廣闊的空間,只要能迅速地得到廣大數碼外設制造廠商的支持,USB OTG是很有潛力的一項通用標準。
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