基于嵌入式系統(tǒng)的USB（HID）設(shè)備

目前嵌入式系統(tǒng)在數(shù)字化電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著其成本的降低，大有取代單片機(jī)的趨勢(shì)。 USB設(shè)備以其小巧、便攜、即插即用、成本低廉等優(yōu)勢(shì)在當(dāng)前的桌面應(yīng)用中有相當(dāng)?shù)谋戎?，尤其?HID（人機(jī)接口）設(shè)備，其免驅(qū)的特點(diǎn)（不用安裝驅(qū)動(dòng)程序）更是給用戶帶來(lái)極大方便?，F(xiàn)在市場(chǎng)上 USB設(shè)備多是由專門的 USB控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用控制，芯片內(nèi)集成了 USB協(xié)議，成本較高。 PCB板的面積較大。本文提出了僅用一片 MCU（微處器－單片機(jī)）或嵌入式系統(tǒng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)其與 PC機(jī)的通訊的方法。就單片機(jī)而言，多數(shù)單片機(jī)速度較慢，對(duì)事件的響應(yīng)能力較弱，對(duì)全速 USB應(yīng)用不是很好的選擇。而嵌入式系統(tǒng)，由于其速度較之單片機(jī)快很多，內(nèi)部 RAM容量較大，用其來(lái)仿真 USB設(shè)備是個(gè)理想的策略。

本文將以 LM310嵌入式芯片仿真USB（HID）鍵盤為例，研究其仿真 USB的方法。 1 USB協(xié)議規(guī)范

1.1總線定義：
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USB又稱通用串地總線，共有四條線，如圖 1所示，VBUS是設(shè)備供電接線，電壓＋5V，最大供電電流500mA，向設(shè)備提供電源。具有過(guò)流保護(hù)、供電控制等功能。D－低速信號(hào)線；D＋全速信號(hào)線；GND電源地。


1.2 USB版本常規(guī) USB通訊協(xié)議有USB1.1、USB2.0。USB1.1版本的 USB設(shè)備，支持全速 12Mb/S低速通訊（1.5Mb/S）；USB2.0版本的 USB設(shè)備，支持高速通訊(480Mb/S)。由于 USB2.0的通訊速率太高，所以用芯片仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)(必須由單獨(dú)芯片控制)。

1.3總線長(zhǎng)度USB1.1版本的設(shè)備總線長(zhǎng)度不大于 5米，通過(guò)集線器或中繼器，可達(dá)到 30米 95個(gè)中斷器或集線器)。U2.0設(shè)備總線長(zhǎng)度不大于3米。

1.4 通訊建立 串口通訊另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) RS232的通訊發(fā)起方可以從兩端發(fā)起，而 USB通訊發(fā)起方總是在主機(jī)端(HOST)，設(shè)備端總是響應(yīng)主機(jī)端的通訊請(qǐng)求。主機(jī)端如果是 PC機(jī)，每隔 1ms發(fā)起一次對(duì)一個(gè)設(shè)備的通訊建立請(qǐng)求，設(shè)備接收到訪問(wèn)己方請(qǐng)求后，立即與主機(jī)建議起通訊連接。

1.5 電氣特性

對(duì)于“D-是低帶信號(hào)總線，D+是高速信號(hào)總線是高速總線”的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的，因?yàn)閁SB信號(hào)總線是平衡差分式的，這點(diǎn)類似于 485總線。所謂“在-是低速信號(hào)總線”是指當(dāng)US陽(yáng)低速設(shè)備（如鼠標(biāo)、鍵盤) 時(shí)，D-這條線在 USB設(shè)備端加 1.5K上拉電阻。反之對(duì)于全速設(shè)備(如U盤、打印機(jī)、掃描儀)，D+信號(hào)線加1.5K上拉電阻。

關(guān)于D+、D-信號(hào)線上的電壓淺談一下，類似于 485總線，當(dāng) 485總線的 A相電壓大，B相電壓 200mV時(shí)，差分放大器輸出邏輯“1”，反之“0”，USB總線在低速設(shè)備端D-電壓如大于2.0V，D+電壓小于 0.8V為邏輯“1”反之為“0”，在主機(jī)端，一根為大于2.8V，另一根小于 0.3發(fā)，在此主機(jī)端不做深入探究。

1.6 NRZI編碼及位填充

由于 USB總線沒(méi)有同步時(shí)鐘信號(hào)線，想要主機(jī)與設(shè)備建立良好通訊同步效果，只有從數(shù)據(jù)序列中提取同步時(shí)鐘。類似 RS232串口通訊，USB通訊的建立也有起始信息，RS232是一個(gè)起始位，而 USB起始位也有 8位，稱之為同步域(或段)格式為01010100。由于 RS232的通訊速率較低，所以兩端同步時(shí)鐘不大于5%即可實(shí)現(xiàn)良好通訊。然而 USB通訊最低速率也大于1Mb/S，對(duì)于時(shí)鐘的同步要求嚴(yán)格的多，況且 USB的數(shù)據(jù)包中的每個(gè)字節(jié)不象 RS232每個(gè)字節(jié)都有起始位(僅在包頭有同步域)。鑒此，USB通訊時(shí)必須在數(shù)據(jù)包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果數(shù)據(jù)包序列中數(shù)據(jù)位全是邏輯“1”或者全是邏輯“0”，芯片是無(wú)法提取同步信息的，為此需要一個(gè)高效的編碼方案，于是就有了 NRZI和位填充概念。何謂NRZI，看圖 2所示，NRZI是非“1”跳變。由圖可知問(wèn)題只解決一半，USB規(guī)范約定當(dāng)序列中連續(xù)出現(xiàn) 6個(gè)邏輯“1”時(shí)加進(jìn)一位“0”，如此問(wèn)題全部解決，只不過(guò)是需要在接收后除去加進(jìn)的一個(gè)位“0”，加進(jìn)一位“0”的過(guò)程就是位填充。
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1.7 USB通訊模式 共四種模式：控制傳輸、等時(shí)傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。

1.8端點(diǎn)

端點(diǎn)也可稱為設(shè)備終端，每個(gè) USB設(shè)備(USB芯片)內(nèi)可以有1—16個(gè)端點(diǎn)，相對(duì)USB芯片而言，各端點(diǎn)在通訊中功能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的大小和傳輸模式有所不同。在芯片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)的地址也有所變化。


2 嵌入式芯片(LM3S310)

Stellaris系列微控制器(包括 L3同S310)是以 ARM Cortex TM-M3為內(nèi)核設(shè)計(jì)的。與早期的 ARM7相比較有功耗更低、中斷延時(shí)更小、代碼執(zhí)行速度更快、價(jià)格更低等優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)現(xiàn)原理

由于 LM3S310控制器每個(gè) GPIO都可配置為中斷引腳，所以在這個(gè)應(yīng)用中只需要用兩個(gè) 同 Port的兩個(gè)相鄰引腳仿真 USB的D+和 D-，圖 3所示。?

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4 軟件設(shè)計(jì)圖 4是一個(gè)簡(jiǎn)化程序流程圖，實(shí)際編程中還有很多細(xì)節(jié)，在此不再羅列。下面以中斷傳輸為例，將一個(gè)事務(wù)不同階段思想重點(diǎn)研討。
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LM3S310芯片利用兩個(gè) GPIO(USB)的中斷監(jiān)控 USB總線，當(dāng) USB總線從空閑狀態(tài)變?yōu)閭鬏敔顟B(tài)，也就是總線由主機(jī)發(fā)起與同步域(SYN)，LM3S310進(jìn)入 USB接收程序。略過(guò)同步階段，收到的第一個(gè)字節(jié)是 PID字段(包標(biāo)識(shí)類型)。這字段的低四位描述此包類型方向(IN或OUT)，接下來(lái) 7位表示設(shè)備的地址，然后是四位端點(diǎn)號(hào)索引。LM3S310根據(jù)設(shè)備地址判定主機(jī)向本設(shè)備發(fā)起的請(qǐng)求，如果是則根據(jù)包的類型決定繼續(xù)接收數(shù)據(jù)或向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)OUT類型數(shù)據(jù)的后 5—16位是 CRC校驗(yàn)(根據(jù)配置決定 CRC的位數(shù))。對(duì) IN類型，LM3S310將準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)連同 RC校驗(yàn)數(shù)據(jù)一同發(fā)往主機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸階段完成后，主機(jī)或設(shè)備要確認(rèn)傳輸成功。

對(duì)于低速設(shè)備的仿真，LM3S310芯片的速度足以滿足要求(包括一些速度較快單片機(jī)，如：PIC、EMP、MSP)，然而對(duì)全速設(shè)備的仿真，須要選擇速度更快嵌入式芯片，軟件實(shí)現(xiàn)的原理方法基本相同。

結(jié)論

使用微控制器仿真 USB設(shè)備的方法，極大地方便了用戶的開(kāi)發(fā)，同時(shí)降低了功耗、成本。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于利用 MCU或嵌入式控制器實(shí)現(xiàn) USB設(shè)備功能。本方法在 USB讀卡器、USB編程器、USB接口轉(zhuǎn) RS232及 RS485接口等方面有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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