אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
פרוטוקול USB – המדריך המלא
תוכן עניינים
מבוא
USB (Universal Serial Bus) הוא תקן תקשורת נפוץ מאוד, שמשמש לחיבור מגוון רחב של התקנים למחשבים. בכל פעם שאתם מחברים עכבר, מקלדת, כונן חיצוני, מצלמה או טלפון נייד למחשב – ככל הנראה אתם משתמשים ב-USB מבלי לשים לב.
אז מה בדיוק הופך את ה-USB לכל כך פופולרי ונפוץ? ולמה חשוב להבין איך הוא עובד? בואו נצלול פנימה ונגלה!
מה זה USB ולמה הוא חשוב?
USB נועד להיות פרוטוקול תקשורת פשוט, מהיר ואוניברסלי. המטרות העיקריות שלו הן:
1. להפוך את החיבור של התקנים למחשב לקל ונוח, כך שכל אחד יוכל לעשות את זה בלי ידע טכני מיוחד. פשוט לחבר את ההתקן, והמחשב יזהה אותו אוטומטית (Plug & Play).
2. לאפשר העברת נתונים מהירה בין המחשב לבין ההתקנים המחוברים אליו. ככל שגרסאות ה-USB התקדמו, קצב ההעברה האפשרי גדל משמעותית.
3.לספק מתח חשמלי להתקנים שמחוברים אליו, כך שלא נצטרך ספק כוח נפרד לכל אחד מהם.
4. להיות תקן תעשייתי סטנדרטי, שיעבוד עם כמה שיותר התקנים שונים בצורה אחידה.
ההיסטוריה וההתפתחות של USB
USB פותח בשנות ה-90 על ידי קבוצה של חברות מחשבים גדולות, ביניהן Intel, Microsoft, IBM ו-Apple. לפני כן, התקנים שונים חוברו למחשב בדרכים שונות ובאמצעות פרוטוקולים שונים, מה שהקשה על המשתמשים והמפתחים.
USB נועד להחליף את התקנים הישנים האלה, ולספק ממשק אחיד וקל לשימוש. מאז הגרסה הראשונה שלו (USB 1.0) שהושקה ב-1996, התקן התפתח בהדרגה:
USB 1.0 (1996)- תמך במהירויות של עד 12Mbps.
USB 2.0 (2000)- מהירות עד 480Mbps, פריצת דרך משמעותית שהפכה את USB לסטנדרט המוביל.
USB 3.0 (2008)- עד 5Gbps. תמיכה בהתקנים חדשים שדורשים מהירות גבוהה, כמו כונני SSD.
USB 3.1 (2013)- עד 10Gbps, והכניס את מחבר ה-Type C החדש והקומפקטי.
USB 3.2 (2017)- עדכון שמגדיר מהירויות שונות על גבי חיבור USB-C, עד 20Gbps.
USB4 (2019)- עד 40Gbps, תואם Thunderbolt 3, מאפשר חיבור צגים ומכשירים במהירות גבוהה דרך אותו חיבור.
כיום, USB הוא התקן התקשורת הנפוץ ביותר להתקנים מחוברים. הוא נמצא כמעט בכל מחשב וטלפון חכם, ומשמש לחיבור של אלפי סוגים שונים של התקנים.
איך USB עובד – מושגי יסוד
מארח ועבד (Host and Device)
בתקשורת USB תמיד יש "מארח" (Host) אחד, שהוא בדרך כלל המחשב, ו"עבד" (Device) אחד או יותר, שהם ההתקנים המחוברים.
המארח הוא זה שמנהל את כל התקשורת ומחליט מתי כל התקן יכול "לדבר". העבדים לעולם לא יוזמים תקשורת בעצמם, אלא רק מגיבים לבקשות של המארח.
זרם נתונים (Data Flow)
ה-USB הוא פרוטוקול טורי – זאת אומרת שהנתונים זורמים ביט אחרי ביט ברצף (בניגוד לממשק מקבילי). המארח והעבד מסונכרנים על אותו קצב שעון (clock), כך שכל אחד יודע בדיוק מתי להעביר או לקרוא את הנתונים על הקו.
סוגי העברות (Transfer Types)
ישנם 4 סוגים שונים של העברות ב-USB:
1. Control – משמשת בעיקר לצורך הגדרת ההתקנים ושליטה בהם (למשל לאתחל התקן חדש). זהו סוג ההעברה היחיד שמוכרח להיתמך על ידי כל התקן USB.
2. Bulk- משמש להעברת כמויות גדולות של נתונים כשלא קריטי שההעברה תתבצע בדיוק באותו קצב או בזמן מסוים. למשל, העתקת קבצים לכונן קשיח חיצוני.
3. Interrupt – משמש להתקנים שצריכים להעביר מעט מידע, אבל דורשים שהמידע יועבר בזמן קבוע וללא השהיות. למשל, תנועות של עכבר או לחיצות על מקלדת.
4. Isochronous- משמש להתקנים שזקוקים לזרם נתונים רציף בקצב קבוע, כמו אודיו או וידאו. אין תיקון שגיאות במצב הזה – מה שחשוב זה לשמור על הרצף והתזמון המדויק.
נקודות קצה (Endpoints)
מבחינה לוגית, כל התקן USB בנוי ממספר "נקודות קצה" (Endpoints). כל נקודת קצה היא למעשה תור (buffer) לקליטה או שליחה של נתונים.
ההתקן חייב לתמוך לפחות בנקודת קצה אחת (Endpoint 0), שהיא נקודת קצה לבקרה (Control) שדרכה המחשב יכול להגדיר ולנהל את ההתקן. שאר נקודות הקצה יכולות לשמש להעברות נתונים מסוגים שונים.
התקנים ומחלקות (Devices and Classes)
כדי שגם המחשב וגם ההתקנים ידעו לעבוד זה עם זה, USB מגדיר "מחלקות" (Classes) סטנדרטיות של התקנים.
כל מחלקה (למשל, מחסן המוני – Mass Storage, שמע – Audio, מדפסת – Printer וכו') מגדירה סט של פקודות ופרוטוקולים שההתקנים במחלקה צריכים לתמוך.
כשמחברים התקן חדש למחשב, הוא מזדהה ככל שהוא שייך למחלקה מסוימת, ובהתאם לכך המחשב יודע איך לתקשר איתו.
כיצד מתבצעת תקשורת בין USB למחשב ולהפך?
הסבר בצורה פשוטה:
דמיינו שהמחשב וההתקן ה-USB הם שני אנשים שמנסים לדבר זה עם זה בטלפון, אבל הם לא יכולים פשוט לדבר בחופשיות. במקום זאת, הם צריכים לעקוב אחר פרוטוקול מסוים – סדרה של כללים שמגדירה איך השיחה צריכה להתנהל.
דוגמא א – שיחה טיפוסית בין המחשב לבין התקן USB תתנהל:
1. המחשב (נקרא לו "המארח") רוצה לשלוח הודעה להתקן USB (נקרא לו "העבד"). זה כאילו המחשב מרים את השפופרת ומחייג להתקן.
2. המחשב שולח "הודעת התראה" (Token Packet) על כבל ה-USB. זה כמו שהמחשב אומר: "היי, התקן מספר 5, יש לי הודעה בשבילך!".
3. ההתקן שומע את ההתראה ויודע שהמחשב עומד לשלוח לו הודעה. זה כאילו ההתקן עונה לטלפון ואומר: "שלום, אני מוכן לקבל את ההודעה שלך".
4. המחשב שולח את ההודעה בפועל (Data Packet) על הכבל. ההודעה כוללת את המידע שהמחשב רוצה להעביר, כמו פקודה או נתונים.
5. ההתקן מקבל את ההודעה, ובודק אותה כדי לוודא שהיא הגיעה בשלמותה בלי שגיאות. זה כמו שמישהו שומע את ההודעה בטלפון ומוודא שהוא שמע את כל המילים בבירור.
6. אם ההודעה הגיעה בשלמותה, ההתקן שולח הודעת אישור (Handshake Packet) בחזרה למחשב. זה כאילו ההתקן אומר: "הודעה התקבלה, הבנתי אותה!".
דוגמא ב – מה קורה כשההתקן רוצה לשלוח מידע חזרה למחשב?
1. ההתקן לא יכול פשוט "להתקשר" למחשב בכל זמן שהוא רוצה. הוא צריך לחכות עד שהמחשב יבקש ממנו את המידע.
2. כשהמחשב מוכן לקבל מידע מההתקן, הוא שולח הודעת התראה מיוחדת (IN Token). זה כאילו המחשב מתקשר להתקן ואומר: "היי, יש לך משהו להגיד לי?"
3. אם יש להתקן מידע לשלוח, הוא מכין את ההודעה (Data Packet) ושולח אותה למחשב.
4. המחשב מקבל את ההודעה, בודק אותה לשגיאות, ואז שולח אישור חזרה להתקן.
כל זה קורה מאוד מהר, פעמים רבות בשנייה, כך שעבורנו זה נראה כאילו המחשב וההתקן מדברים בצורה חלקה וללא הפרעות.
זה כמו שיחת טלפון שבה הדוברים חייבים לעקוב אחר כללים מסוימים – לחכות לתורם לדבר, לא לאשר שהם שמעו זה את זה, ולחזור על דברים אם הם לא הובנו. אמנם זה אולי לא מרגיש טבעי, אבל זה מבטיח ששני הצדדים יוכלו לתקשר בבירור ובאופן יעיל.
אז בפעם הבאה שתחברו מצלמת רשת או כונן חיצוני למחשב, דמיינו את כל ה"שיחות הטלפון" הקטנות האלה שמתרחשות במהירות הבזק דרך כבל ה-USB, רק כדי לוודא שכל המידע מגיע בשלמותו וללא שגיאות.
הסבר בצורה מורכבת וטכנית יותר:
שליחת הודעה מהמחשב להתקן USB:
1. יישום במחשב (כמו דפדפן או נגן מדיה) רוצה לשלוח פקודה או נתונים להתקן USB (נניח, כונן חיצוני או מצלמת רשת).
2. היישום קורא ל-API (ממשק תכנות יישומים) של מערכת ההפעלה שאחראי על USB, כמו WinUSB ב-Windows או libusb ב-Linux.
3. ה-API מעביר את הבקשה למנהל ההתקן (דרייבר) הספציפי של ההתקן ב-USB.
4. מנהל ההתקן בונה חבילת נתונים (Data Packet) שמכילה את הפקודה או המידע שצריך לשלוח. החבילה מכילה כמה שדות:
SYNC: סימן לתחילת החבילה, כדי שההתקן יידע איפה היא מתחילה.
PID (Packet ID): סוג החבילה – האם זו חבילת נתונים (Data), חבילת Handshake (אישור קבלה), או חבילת Token (הוראת שליחה/קבלה).
ADDR: כתובת ההתקן שאליו מיועדת החבילה.
ENDP: מספר נקודת הקצה (Endpoint) בהתקן שאליה מיועדת החבילה.
DATA: המידע עצמו שאנחנו רוצים לשלוח, אם יש.
CRC: קוד בדיקת שגיאות, כדי שההתקן יוכל לוודא שהחבילה הגיעה בשלמותה.
5. מנהל ההתקן שולח את החבילה לבקר ה-USB (USB Controller) של המחשב.
6. בקר ה-USB שולח חבילת Token על הכבל, כדי "להעיר" את ההתקן הרצוי ולהגיד לו להתכונן לקבל נתונים.
7. אחר כך, בקר ה-USB שולח את חבילת הנתונים עצמה על הקו.
8. ההתקן מקבל את החבילה, בודק אותה לשגיאות עם ה-CRC, ואז שולח חבילת Handshake חזרה כדי לאשר את קבלת הנתונים.
9. אם החבילה לא עברה את בדיקת ה-CRC, או אם ההתקן לא שולח אישור תוך פרק זמן מסוים, בקר ה-USB ינסה לשלוח אותה שוב.
שליחת הודעה מהתקן USB למחשב:
1. כעת נניח שההתקן USB (נאמר, חיישן טמפרטורה) רוצה לשלוח נתונים חזרה למחשב.
2. ההתקן לא יכול פשוט "לדחוף" את המידע בכל זמן שהוא רוצה. הוא צריך לחכות עד שהמחשב יבקש ממנו את הנתונים.
3. כדי לבקש נתונים, המחשב שולח חבילת Token מסוג IN על הקו.
4. ההתקן רואה את חבילת ה-Token ויודע שזו ההזדמנות שלו לשלוח נתונים חזרה.
5. ההתקן בונה חבילת נתונים עם התבנית שתוארה קודם, הכוללת את המידע שהוא רוצה לשלוח חזרה למחשב.
6. ההתקן שולח את חבילת הנתונים על הקו.
7. בקר ה-USB של המחשב מקבל את החבילה, בודק אותה עם ה-CRC, ואז שולח חבילת Handshake חזרה להתקן כדי לאשר את קבלת הנתונים.
8. בקר ה-USB מעביר את הנתונים למנהל ההתקן המתאים.
9. מנהל ההתקן מפענח את הנתונים ומעביר אותם ליישום שביקש אותם דרך ה-API.
10. היישום מקבל את הנתונים ויכול לעבד אותם כרצונו.
כל התהליך הזה קורה בשבריר של שנייה, ויכול לחזור על עצמו מאות או אלפי פעמים בכל שנייה, תלוי בהתקן ובמהירות ה-USB.
חשוב לציין שיש ארבעה סוגים שונים של העברות ב-USB (Control, Bulk, Interrupt ו-Isochronous), וכל אחד מהם מתאים לסוג אחר של נתונים ולדרישות שונות של תזמון ואמינות. אבל העיקרון הבסיסי של שליחת חבילות Token, Data ו-Handshake נשאר דומה בכולם.
זהו באמת תהליך די מורכב, אבל ברגע שמבינים אותו שלב אחר שלב, הוא הופך להיות הגיוני וברור. USB הוא פרוטוקול שתוכנן בקפידה כדי להיות גם יעיל וגם אמין, ועם הזמן הוא הפך לשיטה הסטנדרטית כמעט לכל חיבור בין מחשב להתקנים חיצוניים.
דוגמאות לשימושים נפוצים של USB
כונן קשיח חיצוני
בואו ניקח לדוגמה כונן קשיח חיצוני המתחבר למחשב דרך USB. ברגע שנחבר אותו, יקרו הדברים הבאים:
1. המחשב (המארח) יזהה שהתקן USB חדש חובר, ויספק לו מתח חשמלי.
2. הכונן יזדהה כשייך למחלקת Mass Storage (אחסון המוני), וישלח למחשב את פרטיו (יצרן, דגם, גודל וכו').
3. המחשב יטען את מנהל ההתקן (דרייבר) המתאים לטיפול בהתקני אחסון, ויציג את הכונן כדיסק נוסף במערכת.
4. עכשיו המשתמש יכול לגשת לקבצים בכונן, להעתיק אליו ואליו קבצים – בדיוק כאילו הוא כונן פנימי של המחשב.
בפועל, הנתונים הולכים בצורה הבאה:
– כשהמשתמש מנסה לקרוא קובץ מהכונן, המחשב שולח לכונן בקשת קריאה (Read) של כמות מסוימת של בתים, מכתובת מסוימת בכונן.
– הכונן מקבל את הבקשה, קורא את הנתונים מהדיסק, ושולח אותם בחזרה למחשב דרך ה-USB.
– כשהמשתמש רוצה לכתוב קובץ לכונן, התהליך הפוך – המחשב שולח את הנתונים לכונן עם בקשת כתיבה (Write), והכונן כותב אותם לדיסק.
העברות הקריאה והכתיבה האלו נעשות באמצעות העברות בתפזורת (Bulk Transfers), מכיוון שבדרך כלל מדובר בכמויות נתונים גדולות, והדבר החשוב הוא שכולם יגיעו בשלמות ובאופן תקין, גם אם ייקח קצת יותר זמן.
מצלמת רשת
דוגמה נוספת היא מצלמת רשת (webcam) המתחברת למחשב דרך USB:
1. ברגע שמחברים את המצלמה, המחשב מזהה אותה ככל שהיא שייכת למחלקת מצלמות ה-USB (USB Video Class).
2. המצלמה מציגה את עצמה כמכילה כמה נקודות קצה (Endpoints) – אחת לשליטה, ואחת או יותר להזרמת הוידאו עצמו.
3. יישום במחשב (כמו Skype או Zoom) פותח את המצלמה ומתחיל "לבקש" ממנה פריימים של וידאו.
4. המצלמה מתחילה ללכוד תמונות ולשלוח אותן בזרם רציף דרך נקודת קצה מסוג Isochronous.
הנתונים זורמים בקצב קבוע, למשל 30 פריימים לשנייה, כאשר המצלמה והמחשב מסונכרנים להחליף מידע במרווחי זמן ידועים מראש. אין וידוא שכל פריים הגיע בשלמות – מה שחשוב זה לשמור על רציפות והתזמון של הסרטון.
טעינת טלפון נייד
USB משמש לא רק להעברת נתונים, אלא גם להעברת מתח חשמלי. הדוגמה המוכרת לכולנו היא טעינה של טלפונים חכמים:
כשמחברים טלפון למטען או למחשב עם כבל USB, הטלפון למעשה מנהל "דיאלוג" עם המקור שממנו הוא נטען:
1. הטלפון בודק כמה זרם המקור יכול לספק (100mA, 500mA, 1A וכו').
2. הטלפון "מבקש" את הזרם המקסימלי שהוא יכול לקבל בבטחה.
3. המקור מספק את הזרם המבוקש, והטלפון מתחיל להיטען.
עם הטכנולוגיה של USB Power Delivery (USB PD), הטלפון והמקור יכולים גם לנהל משא ומתן על רמות מתח גבוהות יותר כמו 9V, 12V או 20V, מה שמאפשר טעינה מהירה במיוחד. כך שה-USB הוא לא רק פרוטוקול תקשורת, אלא גם סטנדרט לאספקת חשמל להתקנים ניידים.
דרייברים והתקנת התקנים
חלק חשוב מהפלא של ה-USB הוא שהמשתמש לא צריך להתעסק עם התקנות מנהלי התקנים (דרייברים) ידניות. הכל אמור לקרות אוטומטית.
הנה איך זה קורה:
1. ברגע שמתקן USB חדש מתחבר למחשב, הוא שולח לו את מזהה היצרן והדגם שלו.
2. המחשב מחפש במאגר מנהלי ההתקנים שלו דרייבר תואם.
3. אם המחשב מוצא דרייבר מתאים, הוא טוען אותו ומפעיל אותו, וההתקן מוכן לשימוש.
4. אם לא נמצא דרייבר מתאים, המערכת יכולה לחפש דרייבר מתאים באינטרנט או לבקש מהמשתמש להכניס תקליטור עם הדרייבר.
דרייברים הם למעשה קוד תוכנה, שתפקידם "לתרגם" בין הפקודות הכלליות של מערכת ההפעלה ליכולות הספציפיות של כל התקן. עם זאת, לא תמיד התהליך הזה עובד חלק:
א. לפעמים הדרייבר במחשב מיושן מדי ולא תואם להתקן.
ב. יכולות להיות בעיות תאימות בין גרסאות שונות של חומרה ותוכנה.
ג. התקנים "זולים" או לא מוכרים לפעמים מגיעים עם דרייברים לא איכותיים או לא יציבים.
במקרים כאלה, המשתמש עלול להיתקל בבעיות כמו:
א. המחשב לא מזהה בכלל שהתקן חובר.
ב. ההתקן מזוהה, אבל לא עובד כראוי או שחלק מהפונקציות שלו חסרות.
ג. המחשב "קופא" או מציג הודעות שגיאה כשמנסים להשתמש בהתקן.
הפתרון במקרים כאלה הוא לרוב:
א. לנסות לחבר את ההתקן ליציאת USB אחרת.
ב. להתקין מחדש או לעדכן את הדרייבר מאתר היצרן.
ג. במקרה הצורך, להחליף את הכבל או את ההתקן עצמו.
USB באלקטרוניקה
USB הוא הרבה יותר מאשר סתם עוד ממשק תקשורת. הוא למעשה מהווה גשר חשוב בין עולם המחשבים לבין עולם האלקטרוניקה והמערכות המשובצות.
בליבה של כל התקן USB נמצא בקר USB ייעודי. זהו מעגל משולב (Integrated Circuit – IC) שתפקידו לנהל את כל היבטי התקשורת על פי הפרוטוקול – החל מהרמה הפיזית והחשמלית, דרך קידוד וארגון הנתונים, ועד ניהול הפקודות וההעברות ברמה הלוגית.
כמה מבקרי ה-USB הנפוצים כוללים:
1. סדרת FTDI (כמו FT232, FT245) – בקרים פופולריים במיוחד להוספת תקשורת USB להתקנים קיימים עם ממשקי UART, SPI או I2C.
2. בקרי USB של חברת Microchip (כמו PIC18F2455, PIC24FJ256GB106) – בקרים משולבים עם מיקרו-בקרים מסדרת PIC.
3. בקרי USB של Cypress (כמו CY7C68013A) – ידועים בביצועים הגבוהים שלהם ובגמישות בתכנות.
כדי לממש את פרוטוקול ה-USB, בקר ה-USB מכיל בתוכו מספר רכיבי חומרה ייעודיים:
א. מנהל ההתקן (Device Controller) – אחראי על תקשורת ה-USB ברמה הגבוהה, כולל ניהול מצבי ההתקן (Device States) ומימוש הפקודות הסטנדרטיות.
ב. יחידת הזיכרון (Buffer Memory) – משמשת לאחסון זמני של נתונים בדרכם פנימה או החוצה.
ג. יחידת הסנכרון (Serial Interface Engine – SIE) – מטפלת בפירוק וארגון מחדש של חבילות הנתונים על פי הפרוטוקול.
ד. יחידת הקידוד (Transceiver) – הופכת את האותות הדיגיטליים לאותות חשמליים על הכבל, ולהיפך.
USB ומיקרו-בקרים
אחד השימושים המעניינים והנפוצים של USB באלקטרוניקה הוא בממשק בין מיקרו-בקרים למחשבים. מיקרו-בקרים רבים כוללים כיום בקר USB מובנה, המאפשר להם להתחבר ישירות למחשב דרך USB ללא צורך ברכיבים חיצוניים. זה מאפשר תכנות ובקרה נוחים של המיקרו-בקר מהמחשב, וכן העברת נתונים הלוך ושוב בקלות.
פלטפורמות פיתוח פופולריות כמו Arduino מספקות ספריות ופונקציות מוכנות לתקשורת USB, מה שהופך אותה לנגישה גם למתכנתים מתחילים.
הנה כמה דוגמאות לשימושי USB במיקרו-בקרים:
1. תכנות ובדיקה (Programming and Debugging) – הקוד שאנו כותבים במחשב מועבר למיקרו-בקר דרך ה-USB ונשמר בזיכרון שלו. בנוסף, אפשר להשתמש ב-USB כדי לבצע בדיקות ולהריץ את הקוד שלב אחר שלב לצורך איתור באגים.
2. תקשורת טורית (Serial Communication) – אחד השימושים הנפוצים ביותר של USB במיקרו-בקרים הוא חיקוי של ממשק טורי (כמו UART). המיקרו-בקר יכול לשלוח מידע למחשב (למשל קריאות חיישנים) וגם לקבל ממנו פקודות, כאילו הם היו מחוברים במערכת תקשורת טורית רגילה.
3. הדמיית התקני קלט/פלט (HID Emulation) – מיקרו-בקרים יכולים להשתמש ב-USB כדי "להתחפש" להתקני קלט/פלט סטנדרטיים כמו עכבר, מקלדת, ג'ויסטיק וכו'. זה מאפשר לנו ליצור בקלות ממשקים מותאמים אישית למחשב.
4. אודיו ווידאו (Audio/Video) – מיקרו-בקרים מתקדמים יותר יכולים להשתמש ב-USB כדי להפוך למקורות או יעדים של שמע ווידאו. למשל, להקליט או לנגן קבצי שמע, או לשדר וידאו בזמן אמת מחיישן מצלמה.
5. אחסון המוני (Mass Storage)- מיקרו-בקרים יכולים "להעמיד פנים" שהם כוננים או זיכרונות ניידים, ולאפשר למחשב לקרוא ולכתוב קבצים לזיכרון הפנימי או החיצוני שלהם.
דוגמה לשימוש ב-USB במיקרו-בקר Arduino:
נניח שאנחנו רוצים לבנות תחנת מזג אוויר פשוטה עם ארדואינו. אנחנו משתמשים בחיישן טמפרטורה ולחות (כמו DHT11) ובחיישן לחץ אוויר (כמו BMP180), ורוצים לשלוח את הקריאות שלהם למחשב פעם בדקה לצורך הצגה ותיעוד.
הנה איך אפשר לעשות את זה בעזרת USB:
#include <DHT.h>
#include <Adafruit_BMP085.h>
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
Adafruit_BMP085 bmp;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
dht.begin();
bmp.begin();
}
void loop()
{
float humidity = dht.readHumidity();
float temperature = dht.readTemperature();
float pressure = bmp.readPressure() / 100.0F;
Serial.print("Humidity: ");
Serial.print(humidity);
Serial.print(" %\t");
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(temperature);
Serial.print(" *C\t");
Serial.print("Pressure: ");
Serial.print(pressure);
Serial.println(" hPa");
delay(60000);
}
מה קורה כאן?
1. אנחנו מכלילים את הספריות לחיישנים שלנו ויוצרים אובייקטים כדי לגשת אליהם.
2. בפונקציה setup, אנחנו מתחילים תקשורת טורית עם המחשב ומאתחלים את החיישנים.
3. בלולאה הראשית, אנחנו קוראים את הערכים מהחיישנים, ושולחים אותם למחשב בצורה מעוצבת דרך ה-USB, באמצעות פקודות serial.print
4. אחרי כל סט של קריאות, אנחנו ממתינים דקה אחת עד הסט הבא.
בצד המחשב, אנחנו יכולים להשתמש בטרמינל טורי או בסביבת פיתוח Arduino IDE עצמה כדי להציג את הנתונים המתקבלים בזמן אמת, ואפילו לשמור אותם לקובץ לוג לצורך ניתוח מאוחר יותר.
דוגמאות קוד נוספות לתקשורת USB
דוגמה 1 – הדלקת נורה מהמחשב:
נרצה להדליק ולכבות נורה שמחוברת לארדואינו, על ידי שליחת פקודות מהמחשב דרך ה-USB.
הנה הקוד של הארדואינו:
const int LED_PIN = 13; // הפין שאליו מחוברת הנורה
void setup()
{
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // מגדירים את פין הנורה כפלט
Serial.begin(9600); // מתחילים תקשורת טורית עם המחשב
}
void loop()
{
if (Serial.available()) // אם יש נתונים מהמחשב
{
char command = Serial.read(); // קוראים את הפקודה
if (command == '1') // אם נשלחה הפקודה '1'
{
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // מדליקים את הנורה
}
else if (command == '0') // אם נשלחה הפקודה '0'
{
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // מכבים את הנורה
}
}
}
ובצד המחשב, נוכל פשוט לפתוח את ה-Serial Monitor בתוכנת הארדואינו, ולהקליד '1' או '0' כדי להדליק או לכבות את הנורה.
דוגמה 2 – קריאת טמפרטורה ושליחתה למחשב:
כאן נחבר חיישן טמפרטורה פשוט כמו LM35 לארדואינו, ונשלח את קריאת הטמפרטורה למחשב פעם בשנייה.
הנה הקוד:
const int SENSOR_PIN = A0; // פין אנלוגי שאליו מחובר חיישן הטמפרטורה
void setup()
{
Serial.begin(9600); // מתחילים תקשורת עם המחשב
}
void loop()
{
int reading = analogRead(SENSOR_PIN); // קוראים את הערך מהחיישן
float voltage = reading * 5.0 / 1024.0; // ממירים לוולטים
float temperature = (voltage - 0.5) * 100; // ממירים לטמפרטורה במעלות צלזיוס
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(temperature);
Serial.println(" °C");
delay(1000); // ממתינים שנייה
}
כעת, אם נפתח את ה-Serial Monitor במחשב, נראה קריאת טמפרטורה חדשה מתקבלת כל שנייה.
דוגמאות אלו הן רק קצה הקרחון. באמצעות תקשורת USB, אפשר לבנות ממשקים מורכבים ומעניינים הרבה יותר בין המחשב לבין הארדואינו וההתקנים שמחוברים אליו.
סיכום
USB הוא ללא ספק אחד הפרוטוקולים החשובים והמשפיעים ביותר בעולם המחשבים המודרני. הוא שינה מקצה לקצה את האופן שבו אנחנו מחברים התקנים למחשבים ומעבירים ביניהם מידע. מאחורי הפשטות והקלות שבשימוש ב-USB מסתתר עולם שלם של טכנולוגיה מתקדמת ומורכבת – החל ממבנה הפרוטוקול והממשק החשמלי, דרך מנגנוני הזרימה והבקרה של הנתונים, ועד האופן שבו מערכות ההפעלה מזהות ומפעילות התקנים.
הבנה טובה של ה-USB חשובה לא רק למפתחי חומרה ותוכנה, אלא גם למשתמשים מתקדמים שרוצים להבין איך המחשבים וההתקנים שלהם עובדים, ואיך לנפות ולפתור בעיות שעשויות להיות קשורות ל-USB. ועם המשך ההתפתחות של הסטנדרט, כמו USB4 והגרסאות העתידיות, נראה שה-USB ימשיך להיות מרכזי בעולם הדיגיטלי שלנו עוד שנים רבות קדימה.
אז בפעם הבאה שתחברו עכבר, מקלדת או טלפון למחשב – קחו רגע לחשוב על כל הקסם הטכנולוגי שמתרחש מאחורי הקלעים כדי לאפשר את זה! USB הוא גם מרכיב חשוב במגמה הכללית של "אינטרנט הדברים" (Internet of Things – IoT), שבה יותר ויותר התקנים "חכמים" ומחוברים סביבנו. הוא מהווה גשר חיוני בין העולם הפיזי לעולם הדיגיטלי.
אז בין אם אתם מתכננים את המוצר האלקטרוני הבא, או סתם רוצים לגרום לארדואינו שלכם לדבר עם המחשב – הידע על USB הוא כלי חיוני בארגז הכלים של כל מהנדס ומפתח מודרני.
מקווה שהמדריך הזה עזר לכם להבין טוב יותר את עקרונות הפעולה של USB, את השימושים הנפוצים שלו, ואת חשיבותו בעולם הטכנולוגי של ימינו. אם משהו לא היה ברור, או אם יש לכם שאלות נוספות, אל תהססו לשאול. תמיד אשמח לעזור ולהרחיב.
בהצלחה בפרויקטים שלכם, ותודה שקראתם!
