一种USB设备及USB通信方法与流程

本发明涉及通用串行总线领域，具体地，涉及一种USB外围装置。

背景技术：

USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范，USB技术应用目前已普遍存在，尤其USB3.0及以上标准实现了更高的数据传输速率，例如可以传输更高分辨率及更高帧率的视频数据。

得益于USB技术的快速发展，一些需要传输图像、视频的具备USB传输能力的外围设备的功能也日益完善，比如视频展台、高拍仪等。但现有技术中，视频展台、高拍仪等不能直接传输人机交互数据等扩展功能数据，因此如果要对这些外围装置进行控制操作，比如教师在展示实验过程时，要对投影出来的视频进行放大或缩小操作，只能通过操作视频展台所连接的上游设备——平板或电脑等主机实现，而不能直接在视频展台上操作，这样会导致操作上的麻烦；此外，也不能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，比如打开或关闭补光灯、调整投影角度等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种USB设备和USB通信方法，实现USB设备和计算机终端之间的扩展功能数据双向通信，使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，避免操作上的麻烦。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种USB设备，包括交互输入模块、控制器和USB输出接口；所述控制器包括信号传输端口；

所述USB输出接口用于连接计算机终端以实现本USB设备与所述计算机终端的通信连接；

所述交互输入模块用于接收由用户的操作引起的控制信息，并将所述控制信息发送到所述控制器；

所述控制器用于接收所述控制信息及通过所述信号传输端口监听所述计算机终端发送的控制指令；根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

所述控制器还用于根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，通过所述信号传输端口向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的USB设备，通过控制器创建USB数据格式的指令，使指令能通过USB输出接口传送到计算机终端，根据计算机终端发出的指令或者用户在本USB设备上操作引起的控制信息配置工作状态，并返回给计算机终端使计算机终端始终同步记录本USB设备的工作状态，即可使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，克服了某些功能需要在计算机终端上设置，某些功能又需要在USB设备上设置的技术限制，避免了操作上麻烦。

进一步地，本USB设备还包括USB下游模块和USB控制芯片；

所述USB下游模块包括数据输出端口；所述USB下游模块用于生成视频数据并通过所述数据输出端口发送所述视频数据；

所述USB控制芯片包括第一下游端口、第二下游端口和第一上游端口；所述USB控制芯片用于从所述第一下游端口和第二下游端口接收数据或指令，并通过所述第一上游端口发送所述数据或指令；

所述USB下游模块的数据输出端口包括USB2.0输出端口；本USB设备的所述USB输出接口包括USB2.0数据上游输出接口；

所述控制器的所述信号传输端口连接所述USB控制芯片的所述第一下游端口；所述USB下游模块的所述USB2.0输出端口连接所述第二下游端口；所述USB控制芯片的第一上游端口连接所述USB2.0数据上游输出接口。

在进一步方案中，将USB控制芯片接入控制器的信号传输端口与USB输出接口之间，由于USB控制芯片具有扩展转接的功能，使控制器发送的指令与USB下游模块的视频数据都能传输到上游设备，保证了原有的USB设备的视频传输功能不受影响。

优选地，所述USB下游模块的数据输出端口还包括SSTX输出端口和SSRX输出端口；

本USB设备的所述USB输出接口还包括SSTX数据上游输出接口和SSRX数据上游输出接口；

所述SSTX输出端口连接所述SSTX数据上游输出端口，所述SSRX输出端口连接所述SSRX数据上游输出端口。

优选地，所述USB控制芯片为USB2.0控制芯片。

优选方案中，仅用USB2.0控制芯片，就能同时满足USB3.0传输系统的功能及指令的传输。控制器的指令通过信号输出端口连接到USB2.0控制芯片进行转接，USB3.0下游模块的SSTX输出端口和SSRX输出端口直接连接到USB3.0输出接口。由于计算机终端和USB设备之间的通信指令的传输最高仅需在USB2.0的D+/D-数据传输的全速或高速状态下即可实现，对传输速率的要求不高，因此信号传输端口输出USB2.0数据，采用转接USB2.0数据的控制芯片，而USB下游模块从SSTX输出端口和SSRX输出端口输出的视频由于不需要和其他模块共享输出接口，因此可以直接连接到USB输出接口。因此采用USB2.0控制芯片性价比很高。相比直接使用USB3.0控制芯片连接于USB3.0下游模块与USB3.0输出接口之间，本方案能实现USB资源的最大限度利用，降低了成本。

优选地，本USB设备为视频展台。

优选地，本USB设备为高拍仪。

本发明另一方面提供一种USB通信方法，包括：

建立本USB设备与计算机终端的通信连接；

接收由用户的操作引起的控制信息；

监听所述计算机终端发送的控制指令；

根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态；

其中，本USB设备为上述的USB设备。

本发明提供的USB通信方法，可使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，克服了某些功能需要在计算机终端上设置，某些功能又需要在USB设备上设置的技术限制，避免了操作上麻烦。

进一步地，所述建立本USB设备与计算机终端的通信连接，具体包括：

向所述计算机终端发送启动信号，以触发所述计算机终端创建连接请求指令；

在接收到所述计算机终端发送的连接请求指令时，开始持续向所述计算机终端发送第一心跳信号，同时检测是否接收到来自所述计算机终端的第二心跳信号；

若接收到所述第二心跳信号，则确认与所述计算机终端保持持续的通信连接。

进一步方案中，通过双方检测心跳信号确保有效连接。

进一步地，所述向计算机终端发送启动信号，以触发所述计算机终端创建连接请求指令，具体包括：

将启动信号封装成USB数据格式的启动指令，向所述计算机终端发送所述启动指令；其中，所述启动指令用于请求计算机终端返回设备标识读取指令；

在接收到所述计算机终端发出的设备标识读取指令时，向所述计算机终端发送标识本USB设备身份的设备标识数据，以使所述计算机终端判断自身是否与授权的USB设备连接，在确定自身与授权的USB设备连接时，创建连接请求指令。

进一步方案中，计算机终端通过设备标识读取，有效甄别配套设备，保证USB设备与计算机终端间的有效交互控制及安全传输。

附图说明

图1是本发明提供的USB设备的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的USB设备的第二实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的USB设备的第三实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的USB通信方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的USB设备的第一实施例的结构示意图；

第一实施例的USB设备包括：交互输入模块10、控制器20和USB输出接口40；所述控制器20包括信号传输端口；

USB输出接口40用于连接计算机终端以实现本USB设备与所述计算机终端的通信连接；

交互输入模块10用于接收由用户的操作引起的控制信息，并将所述控制信息发送到所述控制器；

控制器20用于接收所述控制信息及通过所述信号传输端口监听所述计算机终端发送的控制指令；根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

控制器20还用于根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，通过所述信号传输端口向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态。

本发明第一实施例提供的USB设备，通过控制器创建USB数据格式的指令，使指令能通过USB输出接口传送到计算机终端，根据计算机终端发出的指令或者用户在本USB设备上操作引起的控制信息配置工作状态，并返回给计算机终端使计算机终端始终同步记录本USB设备的工作状态，即可使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，克服了某些功能需要在计算机终端上设置，某些功能又需要在USB设备上设置的技术限制，避免了操作上麻烦。

为了维持原有的USB视频数据传输不受影响，本USB设备还包括USB下游模块50和USB控制芯片；第一实施例中，USB控制芯片为USB2.0控制芯片30；

USB下游模块50包括数据输出端口；USB下游模块50用于生成视频数据并通过数据输出端口发送视频数据；

USB2.0控制芯片30包括第一下游端口、第二下游端口和第一上游端口；USB2.0控制芯片30用于从第一下游端口和第二下游端口接收数据或指令，并通过第一上游端口发送数据或指令；

USB下游模块50的数据输出端口包括USB2.0输出端口；本USB设备的USB输出接口包括USB2.0数据上游输出接口；

控制器的信号传输端口连接USB控制芯片的第一下游端口(如图1中的控制器20与USB2.0控制芯片30之间的D+/D-通道)；USB下游模块的USB2.0输出端口连接第二下游端口(如图1中的USB下游模块50与USB2.0控制芯片30之间的D+/D-通道)；USB控制芯片的第一上游端口连接USB2.0数据上游输出接口。

由于USB控制芯片具有扩展转接的功能，使控制器发送的指令与USB下游模块的视频数据都能传输到上游设备，保证了原有的USB设备的视频传输功能不受影响。USB控制芯片还用于从所述第一上游端口接收计算机终端经由USB输出接口发送的控制指令，并通过所述第一下游端口发送至所述信号传输端口。

参见图2，是本发明提供的USB设备的第二实施例的结构示意图；

第二实施例的USB设备包括：交互输入模块10、控制器20、USB输出接口40、USB下游模块50和USB控制芯片；所述控制器20包括信号传输端口；

USB输出接口40用于连接计算机终端以实现本USB设备与所述计算机终端的通信连接；

交互输入模块10用于接收由用户的操作引起的控制信息，并将所述控制信息发送到所述控制器；

控制器20用于接收所述控制信息及通过所述信号传输端口监听所述计算机终端发送的控制指令；根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

控制器20还用于根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，通过所述信号传输端口向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态。

第二实施例采用USB3.0标准传输数据，实现更大的数据传输速率。USB控制芯片为USB3.0控制芯片31；

USB下游模块50包括数据输出端口；USB下游模块50用于生成视频数据并通过数据输出端口发送视频数据；

USB3.0控制芯片31包括第一下游端口、第二下游端口、SSTX下游端口、SSRX下游端口和第一上游端口、SSTX上游端口、SSRX上游端口；USB3.0控制芯片31用于从下游端口接收数据或指令，通过上游端口发送数据或指令；

USB下游模块50的数据输出端口包括USB2.0输出端口、SSTX输出端口和SSRX输出端口；本USB设备的USB输出接口包括USB2.0数据上游输出接口、SSTX数据上游输出接口和SSRX数据上游输出接口；

控制器的信号传输端口连接USB控制芯片的第一下游端口；USB下游模块的USB2.0输出端口连接第二下游端口(如图2中的USB下游模块50与USB3.0控制芯片31之间的D+/D-通道)；SSTX输出端口和SSRX输出端口分别连接SSTX下游端口和SSRX下游端口(如图2中的USB下游模块50与USB3.0控制芯片31之间的SSTX通道和SSRX通道)；USB3.0控制芯片31的SSTX上游端口和SSRX上游端口分别连接USB输出接口的SSTX数据上游输出接口和SSRX数据上游输出接口。

需要说明的是，第二实施例中的控制器的信号传输端口可包括USB2.0端口(D+/D-端口)、SSTX端口和SSRX端口，USB3.0控制芯片的第一下游端口相应包括D+/D-端口、SSTX端口和SSRX端口，三类端口对应连接；信号传输端口和第一下游端口也可仅由D+/D-端口组成。若信号传输端口和第一下游端口包含三类端口，则USB3.0控制芯片31将所有SSTX端口数据转接到SSTX上游端口，将所有SSRX端口数据转接到SSRX上游端口，将所有D+/D-端口数据转接到第一上游端口。

第二实施例增加了SSTX和SSRX两组差分数据，可以实现更大的数据传输速率。当USB下游模块50通过USB3.0输出接口传输数据到具有USB3.0上游传输能力的计算机终端时，数据传输速率可以达到仅以USB2.0数据传输的速率的10倍以上。按照本发明的原理，可以采用USB3.0控制芯片31，USB3.0控制芯片31具有多个USB3.0下游端口，若信号传输端口包含SSTX端口和SSRX端口，则可以控制器20输出的信号以USB3.0标准传输到上游设备，效率非常高。同时将USB3.0控制芯片31连接于USB下游模块50和USB3.0输出接口40之间，使USB3.0设备输出的数据也能以USB3.0标准传输到上游设备。

参见图3，是本发明提供的USB设备的第三实施例的结构示意图；

第三实施例的USB设备包括：交互输入模块10、控制器20、USB输出接口40、USB下游模块50和USB控制芯片；所述控制器20包括信号传输端口；

USB输出接口40用于连接计算机终端以实现本USB设备与所述计算机终端的通信连接；

交互输入模块10用于接收由用户的操作引起的控制信息，并将所述控制信息发送到所述控制器；

控制器20用于接收所述控制信息及通过所述信号传输端口监听所述计算机终端发送的控制指令；根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

控制器20还用于根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，通过所述信号传输端口向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态。

第三实施例中USB设备USB控制芯片为USB2.0控制芯片30；

USB下游模块50包括数据输出端口；USB下游模块50用于生成视频数据并通过所述数据输出端口发送所述视频数据；

USB2.0控制芯片30包括第一下游端口、第二下游端口和第一上游端口；USB2.0控制芯片30用于从所述第一下游端口和第二下游端口接收数据或指令，并通过所述第一上游端口发送所述数据或指令；

USB下游模块50的数据输出端口包括USB2.0输出端口、SSTX输出端口和SSRX输出端口；本USB设备的所述USB输出接口包括USB2.0数据上游输出接口、SSTX数据上游输出接口和SSRX数据上游输出接口；

控制器20的所述信号传输端口连接所述USB控制芯片的所述第一下游端口(如图3中的控制器20与USB2.0控制芯片30之间的D+/D-通道)；所述USB下游模块50的所述USB2.0输出端口连接所述第二下游端口(如图3中的USB下游模块50与USB2.0控制芯片30之间的D+/D-通道)；USB2.0控制芯片30的第一上游端口连接所述USB2.0数据上游输出接口；所述SSTX输出端口连接所述SSTX数据上游输出端口，所述SSRX输出端口连接所述SSRX数据上游输出端口。

本实施例提供了一种仅用USB2.0控制芯片，就能同时满足USB3.0传输系统的功能及指令的传输。控制器的指令通过信号输出端口连接到USB2.0控制芯片进行转接，USB3.0下游模块的SSTX输出端口和SSRX输出端口直接连接到USB3.0输出接口。由于计算机终端和USB设备的通信指令的传输最高仅需在USB2.0的D+/D-数据传输的全速或高速状态下即可实现，对传输速率的要求不高，因此信号传输端口输出USB2.0数据，采用转接USB2.0数据的控制芯片，而USB下游模块从SSTX输出端口和SSRX输出端口输出的视频由于不需要和其他模块共享输出接口，因此可以直接连接到USB输出接口。因此采用USB2.0控制芯片性价比很高。相比直接使用USB3.0控制芯片连接于USB3.0下游模块与USB3.0输出接口之间，本方案能实现USB资源的最大限度利用，降低了成本。。相比直接使用USB3.0数据连接于USB3.0下游设备与USB3.0输出接口之间，本方案能实现USB资源的最大限度利用，降低了成本。

上述USB设备的实施例中，USB设备指的是具有USB传输能力的计算机外围设备。优选地，为视频展台或高拍仪。计算机终端可以是平板电脑、手机、计算机等终端。

参见图4，是本发明提供的USB通信方法的流程图。本发明提供的USB通信方法，包括：

S41、建立本USB设备与计算机终端的通信连接；

S42、接收由用户的操作引起的控制信息；

S43、监听所述计算机终端发送的控制指令；

S44、根据所述控制信息或者所述控制指令，配置本USB设备的工作状态；

S45、根据本USB设备的工作状态，创建USB数据格式的设备状态指令，向所述计算机终端发送所述设备状态指令，以使所述计算机终端同步记录本USB设备的工作状态；

其中，本USB设备为上述实施例提供的USB设备。

本发明提供的USB通信方法，可使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，克服了某些功能需要在计算机终端上设置，某些功能又需要在USB设备上设置的技术限制，避免了操作上麻烦。

进一步地，步骤S41“建立本USB设备与计算机终端的通信连接”，具体包括：

向所述计算机终端发送启动信号，以触发所述计算机终端创建连接请求指令；

在接收到所述计算机终端发送的连接请求指令时，开始持续向所述计算机终端发送第一心跳信号，同时检测是否接收到来自所述计算机终端的第二心跳信号；

若接收到所述第二心跳信号，则确认与所述计算机终端保持持续的通信连接。

进一步方案中，通过双方检测心跳信号确保有效连接。

进一步地，步骤S41中的“向计算机终端发送启动信号，以触发所述计算机终端创建连接请求指令”，具体包括：

将启动信号封装成USB数据格式的启动指令，向所述计算机终端发送所述启动指令；其中，所述启动指令用于请求计算机终端返回设备标识读取指令；

在接收到所述计算机终端发出的设备标识读取指令时，向所述计算机终端发送标识本USB设备身份的设备标识数据，以使所述计算机终端判断自身是否与授权的USB设备连接，在确定自身与授权的USB设备连接时，创建连接请求指令。

进一步方案中，计算机终端通过设备标识读取，有效甄别配套设备，保证USB设备与计算机终端间的有效交互控制及安全传输。

本发明提供的USB设备及USB通信方法，通过控制器创建USB数据格式的指令，使指令能通过USB输出接口传送到计算机终端，根据计算机终端发出的指令或者用户在本USB设备上操作引起的控制信息配置工作状态，并返回给计算机终端使计算机终端始终同步记录本USB设备的工作状态，即可使用户既能在USB设备上操作又能在计算机终端上控制USB设备的工作状态，克服了某些功能需要在计算机终端上设置，某些功能又需要在USB设备上设置的技术限制，避免了操作上麻烦。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。