基于嵌入式系統的USB（HID）設備設計

作者：時(shí)間：2013-10-12 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　　0 引言

　　目前嵌入式系統在數字化電子產(chǎn)品領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)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(yōu)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(diǎn)（不用安裝驅動(dòng)程序）更是給用戶(hù)帶來(lái)極大方便?，F在市場(chǎng)上USB 設備多是由專(zhuān)門(mén)的USB 控制芯片來(lái)實(shí)現其應用控制，芯片內集成了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）或嵌入式系統芯片來(lái)實(shí)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(lái)仿真USB 設備是個(gè)理想的策略。

　　本文將以L(fǎng)M310 嵌入式芯片仿真USB（HID）鍵盤(pán)為例，研究其仿真USB 的方法。

　　1 USB 協(xié)議規范

　　1.1 總線(xiàn)定義：

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

　　1.2 USB 版本

　　常規USB 通訊協(xié)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(wú)法實(shí)現(必須由單獨芯片控制)。

　　1.3 總線(xiàn)長(cháng)度

　　USB1.1 版本的設備總線(xiàn)長(cháng)度不大于5 米，通過(guò)集線(xiàn)器或中繼器，可達到30 米95 個(gè)中斷器或集線(xiàn)器)。U2.0 設備總線(xiàn)長(cháng)度不大于3 米。

　　1.4 通訊建立

　　串口通訊另一個(gè)標準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(fā)起一次對一個(gè)設備的通訊建立請求，設備接收到訪(fǎng)問(wèn)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(xiàn)，D+是高速信號總線(xiàn)是高速總線(xiàn)”的說(shuō)法是不準確的，因為USB 信號總線(xiàn)是平衡差分式的，這點(diǎn)類(lèi)似于485 總線(xiàn)。所謂“在-是低速信號總線(xiàn)”是指當US 陽(yáng)低速設備（如鼠標、鍵盤(pán)) 時(shí)，D-這條線(xiàn)在USB 設備端加1.5K 上拉電阻。反之對于全速設備(如U 盤(pán)、打印機、掃描儀)，D+信號線(xiàn)加1.5K 上拉電阻。

　　關(guān)于D+、D-信號線(xiàn)上的電壓淺談一下，類(lèi)似于485 總線(xiàn)，當485 總線(xiàn)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(xiàn)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(fā)，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(xiàn)沒(méi)有同步時(shí)鐘信號線(xiàn)，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(shí)鐘。類(lèi)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(chēng)之為同步域(或段)格式為01010100。由于RS232 的通訊速率較低，所以?xún)啥送綍r(shí)鐘不大于5%即可實(shí)現良好通訊。然而USB 通訊最低速率也大于1Mb/S，對于時(shí)鐘的同步要求嚴格的多，況且USB 的數據包中的每個(gè)字節不象RS232 每個(gè)字節都有起始位(僅在包頭有同步域)。鑒此，USB 通訊時(shí)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(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 規范約定當序列1 1中連續出現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。