USB(Universal Serial Bus)是一種常用的數(shù)字通信接口，廣泛用于計算機和外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在嵌入式系統(tǒng)中，使用USB接口可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和通信，方便與計算機進行連接和控制。本文將介紹如何在STM32微控制器上實現(xiàn)USB接口的應用，具體包括USB設備和USB主機功能。
USB設備功能
1. USB設備通信：使用STM32作為USB設備，可以通過USB接口與計算機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制命令的交互。
2. USB設備驅(qū)動程序：STM32提供了相應的USB庫，可以輕松地開發(fā)USB設備驅(qū)動程序，以實現(xiàn)設備與計算機的連接和控制。
3. USB虛擬串口：可以將STM32配置為USB虛擬串口，使其與計算機之間直接通信，無需使用額外的串口轉(zhuǎn)換設備。
4. USB設備加電檢測：STM32的USB接口可以檢測到設備是否被計算機加電，并能相應地調(diào)整設備的工作狀態(tài)。
USB主機功能
1. USB主機通信：STM32作為USB主機，可以控制和管理連接到USB接口的外部設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、配置和控制等功能。
2. USB主機驅(qū)動程序：STM32提供了相應的USB庫，可以方便地開發(fā)USB主機驅(qū)動程序，實現(xiàn)對外部設備的控制和管理。
3. USB設備識別：STM32可以檢測到連接到USB接口的外部設備，并能夠識別設備的類型和功能。
4. USB主機模式選擇：STM32支持多種USB主機模式，包括擴展主機模式、OTG主機模式等，以滿足不同應用場景的需求。
USB是目前電子產(chǎn)品最通用的一種接口，USB電路的設計包含了眾多有趣的點。
比如有的芯片直接集成USB控制器，并且可以支持USBOTG功能。我們可以根據(jù)產(chǎn)品的實際需求將USB或者USBOTG接口電路設計成采用MicroUSBAB型座子或者USB-TYPE-C接口。更復雜一點，USB電路通常又可以作為供電輸入，那又可以設計成根據(jù)接入的設備自動切換電源狀態(tài)。
USB的英文全稱為Universal Serial Bus,中文含義是通用串行總線，它是一種快速的，雙向的，同步傳輸?shù)牧畠r的并可以進行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，它可以連接多個不同的設備，而過去的串口和并口只能接一個設備。速度快是USB技術的突出特點之一。全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s,比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標準的高速USB接口速率更是達到了480Mb/s.這使得高分辨率、真彩色的大容量圖象的實時傳送成為可能。USB接口支持多個不同設備的串列連接，一個USB接口理論上可以連接127個USB設備。連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器(Hub)把多個設備連接在一起，再同PC機的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而USB設備則不需要。正是由于USB的這些特點，使其獲得了廣泛的應用。到目前為止，USB已經(jīng)在PC機的多種外設上得到應用，包括掃描儀，數(shù)碼相機，數(shù)碼攝像機、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設備等。對于廣大的工程設計人員來說，USB是設計外設接口時理想的總線。
對于USB接口芯片，通常分為普通和DMA(直接存儲器存取)兩種工作模式。相對于普通模式，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率更快，更適合于視頻數(shù)字信號等高速、實時信號的傳送。但遺憾的是，國內(nèi)市場上提供的各種USB接口電路板大部分僅工作在普通模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開發(fā)。為了解決這個問題，我們對USB的原理進行了研究，嘗試著利用51單片機結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路，現(xiàn)已設計出了完整的硬件電路。
1、USB概述
由于多媒體技術的發(fā)展對外設與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術應運而生。USB(Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對 USB的支持。
USB的主要優(yōu)點：
l 使用方便。連接外設不必再打開機箱;允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。
l 速度快。USB支持三種設備傳輸速率：1.5 Mb/s(低速設備)、12 Mb/s(中速設備)和480 Mb/s(高速設備)。
l 獨立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。
l 連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設備。連接的方式也十分靈活，既可以使用 串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。
l 成本低。為了把外設連接到PC上，USB提供了一種低成本的解決方案。
現(xiàn)在滿足USB要求的外設有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀，音箱等。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來的5米增加到近百米?；谶@點，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。USB 總線結(jié)構(gòu)簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。
通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)憑借其價格低廉、使用簡單、協(xié)議靈活、接口標準化和易于端口擴展等優(yōu)點,迅速占領了計算機外設接口領域的統(tǒng)治地位,隨著USB技術的廣泛應用,它在數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮了巨大的作用,而且隨著IP核的日益豐富,如何提高IP核的重用性,將不同的IP核有效的互連起來,縮短設計周期成了IC設計領域的研究熱點。因此本文設計實現(xiàn)了MCU&USB設備控制器IP核。該設計綜合了對設計者兩方面能力的要求,ASIC體系設計的能力和通信協(xié)議理解分析的能力,除具有較強的理論研究意義,也具有較高的實踐價值。本文首先簡單分析了通用串行總線USB(Universal Serial Bus)的產(chǎn)生、發(fā)展和USB設備國內(nèi)外研究狀況以及MCU(Microprocessor Control Unit)的國內(nèi)外發(fā)展狀況。鑒于目前單片機技術火的一塌糊涂!越來越多的朋友加入了學習單片機的行列中!還有更多的朋友正在準備加入到學習單片機行列中。很多初學者在購買了本站的硬件學習板后，在短期內(nèi)就掌握了自主編寫實用控制程序的能力，正所謂只要功夫深，鐵杵磨成針。
這里要先說一下單片機的含義，單片機就是一種微型的計算機，它的硬件等級不高，程序存儲器比較小，無法和我們個人電腦中的硬盤相比，但是他的整體成本很低，體積也很小，這就給電子工程師提供了一個低成本開發(fā)智能控制設備的可能。另外就是它的可塑性是很強的，只要把程序存儲器中寫入不同的程序，它就會根據(jù)不同的程序來完成不同的工作。
比如我們要控制洗衣機的完成一個智能控制洗衣流程(不采用簡單的機械定時器)，從成本角度講，雖然個人電腦性能強大，但是不能采用，因為一臺個人電腦的體積成本都太過了，此時用“單片機+順序控制程序+接口電路+執(zhí)行電路”就是最好的解決方案了，這等于在洗衣現(xiàn)場有一個小小的電腦在控制著整個洗衣過程，單片機是現(xiàn)代全自動洗衣機的核心部分，它的應用大大減低了人的勞動強度。從這個簡單的例子中，我們就可以看到單片機的實際意義了!小到溫度智能控制，中到通訊控制，大到生產(chǎn)流程控制，都可以見到它的身影。應用范圍絕對廣泛，只要編寫好不同的程序。單片機就可以完成不同的控制工作。這樣，我們通過編寫不同的控制程序就可以實現(xiàn)器件的萬能化!
大致可以通過這些步驟來完成實驗及開發(fā)工作：
第一步：通過軟件編譯平臺開始寫我們的試驗程序，這就好比寫文章要有筆和紙一樣，最常用的是KEIL軟件平臺，比如點亮一個發(fā)光管，點亮多個發(fā)光管，點亮流水燈，驅(qū)動繼電器，驅(qū)動數(shù)碼管......，學用寫源程序有2個重點，重點1是學會在KEIL中寫源程序，就和用記事本軟件編輯文字一樣，重點2是學會把寫好的源程序通過KEIL軟件平臺編譯成為單片機可以讀懂的由0和1構(gòu)成的機器碼，為了簡化，通常是生成16進制的*.HEX或者*.BIN文件，不過本質(zhì)還是0和1。在這里，源程序我們能讀懂，但是單片機不能讀懂，所以需要把源程序通過編譯器編譯成最終的*.HEX或者*.BIN文件。在這里，編譯平臺充當?shù)氖且粋€語言翻譯官的角色!
第二步：制作或者購買一個編程器(也有人叫它為燒寫器)。
注意，編程器的作用是把我們編譯好的機器碼文件寫入到單片機的程序存儲器中，這個設備的作用就好比我們給一個沒有記憶的人灌輸記憶。通過程序被寫入，單片機中就被灌輸了我們的設計思想或者是某種控制流程。編程器和單片機可以支持的文件是16進制的，文件屬性一般為*.HEX或者*.BIN，它們的本質(zhì)是二進制，也就是1和0。編程器只是一種寫入設備，而源程序還是要由我們來編寫和創(chuàng)造的!
第三步：制作或者購買一個實驗板，它的作用是完成最終的硬件驅(qū)動效果驗證。這就好比把一個已經(jīng)灌輸了我們設計思想的單片機連上軀體和四肢，看看這個完整的，已經(jīng)具備了“頭腦+思想+四肢”的設備是不是能真的動起來，動起來的時候看看它的動作是不是和我們設計的程序完全一致?如果不一致就說明我們給他設計的“思想”可能存在問題!此時就需要用編程器中的“擦除”操作給單片機“洗腦”，并且修改程序，然后再次寫入和看驗證結(jié)果。
比如我們用軟件寫了一個流水燈程序，通過什么來驗證它是否可以真正的驅(qū)動硬件呢?答案就是實驗板。
也許有人會問，為什么沒有提到仿真器?因為以前專業(yè)化的仿真器太貴了!大家一般都承受不了!
仿真器是做什么的呢?它的作用是調(diào)試我們的程序用的，比如我們的程序有100行，假設代表了10個驅(qū)動硬件的動作，這時候如果有仿真器的話，我們可以讓這10個動作一個個的執(zhí)行，同時能夠觀察到在執(zhí)行這10個動作的過程中，單片機內(nèi)部的各單元狀態(tài)是什么樣的!也就是可以細致的分析一下整個程序在硬件中的具體工作過程。這樣我們就可以了解程序中是不是有問題存在，所以叫做仿真!
仿真分為硬件仿真和軟件仿真二種，軟件仿真是完全虛擬的，比較抽象，初學者理解起來比較困難。硬件仿真方面，如果硬件仿真器連接了目標設備，就可以看到驅(qū)動硬件的效果，還是比較實用的。
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