基于嵌入式系统的USB(HID)设备

基于嵌入式系统的USB（HID）设备

目前嵌入式系统在数字化电子产品领域应用越来越广泛。随着其成本的降低，大有取代单片机的趋势。 USB设备以其小巧、便携、即插即用、成本低廉等优势在当前的桌面应用中有相当的比重，尤其是 HID（人机接口）设备，其免驱的特点（不用安装驱动程序）更是给用户带来极大方便。现在市场上 USB设备多是由专门的 USB控制芯片来实现其应用控制，芯片内集成了 USB协议，成本较高。 PCB板的面积较大。本文提出了仅用一片 MCU（微处器－单片机）或嵌入式系统芯片来实现其与 PC机的通讯的方法。就单片机而言，多数单片机速度较慢，对事件的响应能力较弱，对全速 USB应用不是很好的选择。而嵌入式系统，由于其速度较之单片机快很多，内部 RAM容量较大，用其来仿真 USB设备是个理想的策略。

本文将以 LM310嵌入式芯片仿真USB（HID）键盘为例，研究其仿真 USB的方法。 1 USB协议规范

1.1总线定义：
 
USB又称通用串地总线，共有四条线，如图 1所示，VBUS是设备供电接线，电压＋5V，最大供电电流500mA，向设备提供电源。具有过流保护、供电控制等功能。D－低速信号线；D＋全速信号线；GND电源地。


1.2 USB版本常规 USB通讯协议有USB1.1、USB2.0。USB1.1版本的 USB设备，支持全速 12Mb/S低速通讯（1.5Mb/S）；USB2.0版本的 USB设备，支持高速通讯(480Mb/S)。由于 USB2.0的通讯速率太高，所以用芯片仿真无法实现(必须由单独芯片控制)。

1.3总线长度USB1.1版本的设备总线长度不大于 5米，通过集线器或中继器，可达到 30米 95个中断器或集线器)。U2.0设备总线长度不大于3米。

1.4 通讯建立 串口通讯另一个标准 RS232的通讯发起方可以从两端发起，而 USB通讯发起方总是在主机端(HOST)，设备端总是响应主机端的通讯请求。主机端如果是 PC机，每隔 1ms发起一次对一个设备的通讯建立请求，设备接收到访问己方请求后，立即与主机建议起通讯连接。

1.5 电气特性

对于“D-是低带信号总线，D+是高速信号总线是高速总线”的说法是不准确的，因为USB信号总线是平衡差分式的，这点类似于 485总线。所谓“在-是低速信号总线”是指当US阳低速设备（如鼠标、键盘) 时，D-这条线在 USB设备端加 1.5K上拉电阻。反之对于全速设备(如U盘、打印机、扫描仪)，D+信号线加1.5K上拉电阻。

关于D+、D-信号线上的电压浅谈一下，类似于 485总线，当 485总线的 A相电压大，B相电压 200mV时，差分放大器输出逻辑“1”，反之“0”，USB总线在低速设备端D-电压如大于2.0V，D+电压小于 0.8V为逻辑“1”反之为“0”，在主机端，一根为大于2.8V，另一根小于 0.3发，在此主机端不做深入探究。

1.6 NRZI编码及位填充

由于 USB总线没有同步时钟信号线，想要主机与设备建立良好通讯同步效果，只有从数据序列中提取同步时钟。类似 RS232串口通讯，USB通讯的建立也有起始信息，RS232是一个起始位，而 USB起始位也有 8位，称之为同步域(或段)格式为01010100。由于 RS232的通讯速率较低，所以两端同步时钟不大于5%即可实现良好通讯。然而 USB通讯最低速率也大于1Mb/S，对于时钟的同步要求严格的多，况且 USB的数据包中的每个字节不象 RS232每个字节都有起始位(仅在包头有同步域)。鉴此，USB通讯时必须在数据包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果数据包序列中数据位全是逻辑“1”或者全是逻辑“0”，芯片是无法提取同步信息的，为此需要一个高效的编码方案，于是就有了 NRZI和位填充概念。何谓NRZI，看图 2所示，NRZI是非“1”跳变。由图可知问题只解决一半，USB规范约定当序列中连续出现 6个逻辑“1”时加进一位“0”，如此问题全部解决，只不过是需要在接收后除去加进的一个位“0”，加进一位“0”的过程就是位填充。
 
1.7 USB通讯模式 共四种模式：控制传输、等时传输、中断传输、批量传输。

1.8端点

端点也可称为设备终端，每个 USB设备(USB芯片)内可以有1—16个端点，相对USB芯片而言，各端点在通讯中功能传输的数据包的大小和传输模式有所不同。在芯片内数据缓冲 区的地址也有所变化。


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为内核设计的。与早期的 ARM7相比较有功耗更低、中断延时更小、代码执行速度更快、价格更低等优势。

3 实现原理

由于 LM3S310控制器每个 GPIO都可配置为中断引脚，所以在这个应用中只需要用两个 同 Port的两个相邻引脚仿真 USB的D+和 D-，图 3所示。 

 

 


4 软件设计图 4是一个简化程序流程图，实际编程中还有很多细节，在此不再罗列。下面以中断传输为例，将一个事务不同阶段思想重点研讨。
 
LM3S310芯片利用两个 GPIO(USB)的中断监控 USB总线，当 USB总线从空闲状态变为传输状态，也就是总线由主机发起与同步域(SYN)，LM3S310进入 USB接收程序。略过同步阶段，收到的第一个字节是 PID字段(包标识类型)。这字段的低四位描述此包类型方向(IN或OUT)，接下来 7位表示设备的地址，然后是四位端点号索引。LM3S310根据设备地址判定主机向本设备发起的请求，如果是则根据包的类型决定继续接收数据或向主机发送数据。对OUT类型数据的后 5—16位是 CRC校验(根据配置决定 CRC的位数)。对 IN类型，LM3S310将准备好数据连同 RC校验数据一同发往主机。数据传输阶段完成后，主机或设备要确认传输成功。

对于低速设备的仿真，LM3S310芯片的速度足以满足要求(包括一些速度较快单片机，如：PIC、EMP、MSP)，然而对全速设备的仿真，须要选择速度更快嵌入式芯片，软件实现的原理方法基本相同。

结论

使用微控制器仿真 USB设备的方法，极大地方便了用户的开发，同时降低了功耗、成本。本文作者创新点在于利用 MCU或嵌入式控制器实现 USB设备功能。本方法在 USB读卡器、USB编程器、USB接口转 RS232及 RS485接口等方面有良好的应用前景。

参考文献

[1]《LM3S310数据手册》   作者：Luminary  Micro 2005

 [2]《USB大全》作者:[美]Jan Axelson  陈逸 译  2001.5

 [3]《USB威廉希尔官方网站 大全》电子教程  2007.2
[4]郭佑民，王杰，孙启国基于嵌入式微处理器 S3C44B0X的 USB通信．微计算机信息［J］，2008，1-2： 21-23。