基本信息
- 项目名称：
- USB设备互联控制器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- USB设备互联控制器是基于ARM9与嵌入式Linux，用以实现移动设备互联通信的控制模块。针对普遍使用的移动数码设备，提出一种以USB控制器为核心、以手机为主控制端的方案实现移动设备间的互连。采用TQ2440 ARM9 开发板和嵌入式Linux系统构建USB控制器，并设计软件实现对手机操作系统的跨平台支持，能够有效地实现手机和USB存储设备之间的文件传输、手机对USB打印机的控制等功能。
- 详细介绍：
- 目前，人们使用着各种各样的移动设备，如手机、MP3、数码相机等，其中手机的使用最为广泛。尽管这些移动设备大都具备USB接口，但在目前的技术环境下，要让手机和其他USB设备进行通信却必须借助于PC或类PC产品。由于这种产品的便携性较差，所以无法随时随地的使身边的各类设备相互通信、共享资源，也就无法充分发挥其功能为人们的生活提供更多便利。 现有的USB-OTG技术是比较成熟的移动设备通信技术之一，其特点在于具有OTG功能的设备既可以作为主设备又可以作为从设备，两个OTG设备相连可以轮流作为主从设备。由于OTG技术要求每个设备有一个支持的外设式OTG目标设备列表，并仅对列表中的设备提供支持，所以OTG应用仅限于某些特定设备。而且，现在的数码产品升级换代速度很快，新一代OTG设备很难得到向后兼容。 本项目设计并实现了一种便携式通用USB控制器，使其充当可携带的通用媒介，实现现有大多数型号的手机对多种USB设备的简单控制和数据交换。利用这种方式对各类移动设备的功能加以整合，并充分利用手机的网络功能，最大限度地发挥它们的作用。 整个系统以USB控制器为中心，手机和USB设备分别使用一根USB数据线线与之相连，采用USB 2.0协议进行通信。用户在手机上输入命令，手机分析后发送到USB控制器，控制器识别并控制外设进行相应操作，然后将结果返回手机显示给用户。 手机和USB设备选择日常使用的种类，USB控制器由ARM 9开发板和嵌入式Linux系统来实现。ARM9开发板载有基于ARM920T的16/32位RSIC微处理器TQ2440，主频可达400MHz。该芯片性价比高、功耗低，含有丰富的片内外设，主要用于手持设备和移动终端。开发板上还有64M SDRAM存储器和NAND Flash用于扩展功能。USB HUB提供4个USB端口分别连接手机和其他外设。随着手机芯片性能的不断提高，未来可将该USB控制器的功能集成在手机中，使得用户随身携带的手机能够随时随地与常见的USB外设实现互连和通信。 为实现手机作为主控制端与多种USB外设进行互连和通信，需要分别在手机和控制器上设计相应的软件，手机和控制器通过USB协议进行信息交互。USB控制器软件系统负责识别各类USB外设，解释手机送来的指令并驱动外设执行，最后向手机返回执行结果。手机软件系统负责向用户提供友好的操作界面，接受用户命令并传送给USB控制器，待执行完成后将结果反馈给用户。 为了验证USB控制器系统的功能和性能，本文在不同的手机上进行了打印和存储功能的测试。本文分别利用Samsung SGH-I458和Nokia 5233手机通过该USB控制器操作惠普laserjet 1010打印机，均能实现成功打印。 随着Internet和移动通信网络的发展和融合，手机作为Internet终端能够实现网络浏览和下载等功能，因此利用手机随时随地将网络上的多媒体或教学资源下载到U盘等移动设备将会为人们带来很大便利。采用Nokia N75手机操作4GB 金士顿U盘，本项目所设计的cd、ls、mkdir、rmdir、rm、rn和cp等命令都能够正确执行。 本项目的测试结果表明，使用该USB控制器系统可以实现手机对U盘和打印机的控制，并且兼容不同型号的手机和U盘。文件的增大减少了控制开销所占的比例，U盘的传输速率可以达到250KB/s左右，能够满足用户需求。因此不难看出，对于数码相机、MP3等与U盘类似的存储类USB设备，及摄像头、扫描仪等与打印机类似的设备，该系统也能够实现数据交换和信息共享的功能。 USB控制器适用于大多数手机持有者，适用的场合和功能取决于用户意愿及其所选择的USB外设。根据信息产业部公布的统计数据，中国的手机用户数量目前已逾8亿，超过了10多年前全球手机用户的总和。同时，迪富调研网曾抽取2000多名用户进行一个数码产品普及率的调查，接受调查的用户的92%都拥有手机，手机的普及率最高；其次是MP3和数码相机，普及率分别达到了79%和53%；仅有3%的用户表示目前没有使用任何以上数码产品。如此可以估算这些用户中同时拥有手机和其他数码产品的用户至少为76%，因此本文实现的USB控制器的应用范围和市场前景是很大的。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- （1）发明目的： 在目前技术环境下，想要让手机和其他USB设备进行通信却必须借助PC或类PC的产品，以其作为核心来运转。由于PC相对较重难以携带，使得我们不能随心所欲的让信息在移动设备间流通。 项目目标是设计制作一种便携式通用ＵＳＢ控制器，它充当一种可携带的通用媒介，实现大多数型号手机对多种USB设备的简单控制及两者之间的数据通信功能。 （2）基本思路： 以USB2.0为通信协议，将手机、USB控制器、USB设备三部分组成临时通信系统。手机和USB设备选择日常使用的种类，USB控制器由ARM单片机来实现。在手机和单片机两端分别编写客户程序和服务程序。 （3）创新点： 将最大众化的手机作为与用户交互的平台，通过手机操纵其他设备。对于一个控制器，控制端可以为大多数品牌型号的手机，而被控制端的其他设备则既包括MP3、移动硬盘这样的存储类设备，也包括键盘、打印机等功能性设备。这些特点保证项目成果具有较高实用性，市场推广价值高。 （4）技术关键点： 一方面是找到一种机制，能够使只具备USB Slave接口的手机作为控制端发挥Host的功能，并且此机制要适用于大多数品牌型号的手机；另一方面是在扩展控制器驱动对象的同时要注意节约其占用的处理资源与功耗。 （5）主要技术指标： 第一是便携性要求，即控制器的体积和重量；第二是通用性要求，即控制器支持的手机和外设种类数；第三是正常运转的时间效率，即完成各类指令的平均时间，要满足用户对所执行不同操作的期望。
科学性、先进性
- 与现有比较成熟的USB-OTG技术和IEEE 1394技术相比，我们的项目有领先的地方。 首先，在连接模式方面，OTG技术和IEEE 1394追求的是任意点对点的通信，而我们试图构建的是以目前通用手机为核心的USB设备通信网络，同时覆盖的面积更大。 其次，在传输速率方面，与USB OTG协议相比，我们采用的USB2.0协议传输速率更快，效率更高。虽然不如IEEE 1394那样高效，但已经足够便携设备使用。 第三，USB-OTG芯片通常集成在数码设备内部，依靠设备的微处理器工作，IEEE 1394总线的要求更高，要求微处理器有很快的处理速度。我们设计制作的控制器不依附于任何微处理器。用户无需更新现有设备，只要在手机上安装对应的客户软件就可以使用，节省了不少费用。 最后，我们的项目更容易解决兼容性问题。由于使用的是通用USB2.0标准，各类数码设备的驱动很容易找到，经过简单的修改和编译就可以移植到我们的控制器上。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无获奖经历或鉴定结果，正在筹划申请专利。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 实用新型专利 软件著作权
作品可展示的形式
- 模型 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- （1）使用说明 用户只需在手机上安装好客户程序，将手机和待操作的设备同时连接到USB控制器上，然后在客户程序中发布指令即可。 （2）特点和优势 用户只需增加控制器一项设备就能将身边现有的USB设备进行连接。实现的功能取决于设备的种类，设备越多功能就越强。 （3）适用范围及推广前景 该作品适用于大多数拥有手机的人群，适用的场合取决于用户的意愿，功能取决于设备的选择。现今的市场环境中，与该作品有类似功能的产品很少，基本是空白，因此该作品面对的市场广阔，推广前景也是比较光明的。 （4）市场分析及经济效益 迪富调研网曾抽取2000多名用户进行一个数码产品普及率的调查。在接受调查的用户中，92%的人拥有手机，手机的普及率最高。其次是MP3和数码相机，普及率分别达到了79%和53%。仅有3%的用户表示目前没有使用任何以上数码产品。如此可以估算这些用户中同时拥有手机和其他数码产品的用户至少占76%，可见项目产品面对的潜在市场是巨大的。
同类课题研究水平概述
- USB OTG技术及应用 作为USB2.0的补充规范，USB OTG具有更节能性的电源管理和允许设备以主从两种方式工作的特性。OTG可分为：两用OTG设备和外设式OTG设备。前者完全符合USB2.0规范，同时它还要提供一个Mini AB插座、支持主机的流通协议HNP和外设式OTG设备一样支持的事务请求协议SRP。两用OTG设备可以作为USB外设或者USB OTG主机，并且可为总线提供8mA电流。而外设式OTG设备不具备主机性能，它必须在向两用设备（主机）的请求获准后才能通信。然而USB OTG有许多的不足： （1）传输速度问题 OTG在实际的数据传输中要完成一个数据包的发送，而不同的CPU、不同的总线、数据地址线的复用、协议的不同实现方法都可能导致包间隙急剧上升，从而使OTG的实际传输速度比480Mbps低很多。 （2）兼容性问题 目前支持OTG功能的外设、数码产品已经相当丰富，OTG技术要求每个DRD设备有一个支持的外设式OTG目标设备的列表来对OTG设备提供支持，但目前数码产品升级换代速度极快，旧的设备往往无法支持新OTG设备，因此兼容性还有待提高。 （3）接口接触问题 长期插拔数码产品的USB端口容易出现松动。例如，采用直接插拔的数码相机在使用一段时间后容易出现USB端口的松动，并且很快就会接触不良，因为所有的数码相机的USB端口都不能承受如此频繁的使用。 （4）传输距离问题 两个OTG设备之间的传输距离最多是5m,而RS-232，RS-485和Ethernet等，则允许使用更长的电缆。此外就是USB-OTG存在工作不稳定缺点，在实际使用中也会经常出现死机，或者工作异常，无法传输等问题。 总的来说，USB OTG规范是为了解决目前USB接口无法脱离主机进行单独通信而提出的对USB规范的一种补充，新OTG特征仅针对具有主机能力的便携式设备是必要的，对于与双角色设备一同使用的外围设备就不一定完全必要了。当然，OTG在这些外设间引入了点对点的通信方式，这使得便携式产品的发展有了更加广阔的空间，只要能迅速地得到广大数码外设制造厂商的支持，USB OTG是很有潜力的一项通用标准。
