基于嵌入式系統的USB（HID）設備

目前嵌入式系統在數字化電子產品領域應用越來越廣泛。隨著其成本的降低，大有取代單片機的趨勢。 USB設備以其小巧、便攜、即插即用、成本低廉等優勢在當前的桌面應用中有相當的比重，尤其是 HID（人機接口）設備，其免驅的特點（不用安裝驅動程序）更是給用戶帶來極大方便。現在市場上 USB設備多是由專門的 USB控制芯片來實現其應用控制，芯片內集成了 USB協議，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）或嵌入式系統芯片來實現其與 PC機的通訊的方法。就單片機而言，多數單片機速度較慢，對事件的響應能力較弱，對全速 USB應用不是很好的選擇。而嵌入式系統，由于其速度較之單片機快很多，內部 RAM容量較大，用其來仿真 USB設備是個理想的策略。

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協議規范

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是設備供電接線，電壓＋5V，最大供電電流500mA，向設備提供電源。具有過流保護、供電控制等功能。D－低速信號線；D＋全速信號線；GND電源地。


1.2 USB版本常規 USB通訊協議有USB1.1、USB2.0。USB1.1版本的 USB設備，支持全速 12Mb/S低速通訊（1.5Mb/S）；USB2.0版本的 USB設備，支持高速通訊(480Mb/S)。由于 USB2.0的通訊速率太高，所以用芯片仿真無法實現(必須由單獨芯片控制)。

1.3總線長度USB1.1版本的設備總線長度不大于 5米，通過集線器或中繼器，可達到 30米 95個中斷器或集線器)。U2.0設備總線長度不大于3米。

1.4 通訊建立 串口通訊另一個標準 RS232的通訊發起方可以從兩端發起，而 USB通訊發起方總是在主機端(HOST)，設備端總是響應主機端的通訊請求。主機端如果是 PC機，每隔 1ms發起一次對一個設備的通訊建立請求，設備接收到訪問己方請求后，立即與主機建議起通訊連接。

1.5 電氣特性

對于“D-是低帶信號總線，D+是高速信號總線是高速總線”的說法是不準確的，因為USB信號總線是平衡差分式的，這點類似于 485總線。所謂“在-是低速信號總線”是指當US陽低速設備（如鼠標、鍵盤) 時，D-這條線在 USB設備端加 1.5K上拉電阻。反之對于全速設備(如U盤、打印機、掃描儀)，D+信號線加1.5K上拉電阻。

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

1.6 NRZI編碼及位填充

由于 USB總線沒有同步時鐘信號線，想要主機與設備建立良好通訊同步效果，只有從數據序列中提取同步時鐘。類似 RS232串口通訊，USB通訊的建立也有起始信息，RS232是一個起始位，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，所以兩端同步時鐘不大于5%即可實現良好通訊。然而 USB通訊最低速率也大于1Mb/S，對于時鐘的同步要求嚴格的多，況且 USB的數據包中的每個字節不象 RS232每個字節都有起始位(僅在包頭有同步域)。鑒此，USB通訊時必須在數據包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果數據包序列中數據位全是邏輯“1”或者全是邏輯“0”，芯片是無法提取同步信息的，為此需要一個高效的編碼方案，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。由圖可知問題只解決一半，USB規范約定當序列中連續出現 6個邏輯“1”時加進一位“0”，如此問題全部解決，只不過是需要在接收后除去加進的一個位“0”，加進一位“0”的過程就是位填充。
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1.7 USB通訊模式 共四種模式：控制傳輸、等時傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。

1.8端點

端點也可稱為設備終端，每個 USB設備(USB芯片)內可以有1—16個端點，相對USB芯片而言，各端點在通訊中功能傳輸的數據包的大小和傳輸模式有所不同。在芯片內數據緩沖 區的地址也有所變化。


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為內核設計的。與早期的 ARM7相比較有功耗更低、中斷延時更小、代碼執行速度更快、價格更低等優勢。

3 實現原理

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

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4 軟件設計圖 4是一個簡化程序流程圖，實際編程中還有很多細節，在此不再羅列。下面以中斷傳輸為例，將一個事務不同階段思想重點研討。
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LM3S310芯片利用兩個 GPIO(USB)的中斷監控 USB總線，當 USB總線從空閑狀態變為傳輸狀態，也就是總線由主機發起與同步域(SYN)，LM3S310進入 USB接收程序。略過同步階段，收到的第一個字節是 PID字段(包標識類型)。這字段的低四位描述此包類型方向(IN或OUT)，接下來 7位表示設備的地址，然后是四位端點號索引。LM3S310根據設備地址判定主機向本設備發起的請求，如果是則根據包的類型決定繼續接收數據或向主機發送數據。對OUT類型數據的后 5—16位是 CRC校驗(根據配置決定 CRC的位數)。對 IN類型，LM3S310將準備好數據連同 RC校驗數據一同發往主機。數據傳輸階段完成后，主機或設備要確認傳輸成功。

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

結論

使用微控制器仿真 USB設備的方法，極大地方便了用戶的開發，同時降低了功耗、成本。本文作者創新點在于利用 MCU或嵌入式控制器實現 USB設備功能。本方法在 USB讀卡器、USB編程器、USB接口轉 RS232及 RS485接口等方面有良好的應用前景。

參考文獻

[1]《LM3S310數據手冊》?? 作者：Luminary? Micro 2005

?[2]《USB大全》作者:[美]Jan Axelson? 陳逸 譯? 2001.5

?[3]《USB技術大全》電子教程? 2007.2
[4]郭佑民，王杰，孫啟國基于嵌入式微處理器 S3C44B0X的 USB通信．微計算機信息［J］，2008，1-2： 21-23。