一種嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在USB的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)中居于核心地位的是主機(jī)(Host)，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)來發(fā)起和控制，所有USB設(shè)備都只能和主機(jī)建立連接，任何兩個(gè)外設(shè)之間或是兩個(gè)主機(jī)之間無法直接通信。而目前，大量扮演主機(jī)角色的是個(gè)人電腦PC。目前所買到和使用的USB設(shè)備基本都是只具備USB設(shè)備的功能而不具備主機(jī)功能，比如USB接口的移動(dòng)硬盤、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)等。所有這些設(shè)備都只能在USB Host上使用，也就是通常只能通過PC來進(jìn)行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。沒有了PC主機(jī)，這些設(shè)備是不能互聯(lián)的。

1 USB系統(tǒng)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
最簡(jiǎn)單的USB系統(tǒng)模型組成是以USB主機(jī)為核心，以外圍的USB設(shè)備為特定功能的設(shè)備模塊。即USB提供的是主機(jī)和設(shè)備中間的一種數(shù)據(jù)通信服務(wù)。此外，為了構(gòu)建更復(fù)雜的USB系統(tǒng)，還需要加上USB集線器(Hub)。
USB主機(jī)包括PC或嵌入式系統(tǒng)兩種類型，每一次USB數(shù)據(jù)通信都必須是由USB主機(jī)來發(fā)起的(遠(yuǎn)程喚醒模式除外)，主機(jī)管理著每個(gè)USB設(shè)備。即使新興的USB On-The-Go設(shè)備，其核心部分仍然是嵌入了USB主機(jī)的功能。本方案主要是基于嵌入式USB主機(jī)的USB系統(tǒng)模型。
USB的拓?fù)潴w系由3種元素組成：主機(jī)、Hub和設(shè)備，通過Hub的級(jí)聯(lián)，構(gòu)成了層次化的星形結(jié)構(gòu)。USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1電源電路
電源電路的組成如下：
系統(tǒng)采用雙電壓給電方式；觸發(fā)器采用3．3 V給電；1284收發(fā)器采用5 V和3．3 V的雙電壓給電方式。在交流適配器中將干擾過濾后，提供5 V直流電壓。3．3 V直流電壓由固定輸出電源模塊來提供。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2 USB接口電路
為了給USB總線安全的提供電源，采用電源管理芯片，利用MCU來管理USB總線的電源。系統(tǒng)reset時(shí)，為了使與其連接的USB設(shè)備不進(jìn)行誤操作，關(guān)閉USB電源；總線電路異常而導(dǎo)致過流(over current)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉電源并通知MCU。并且還采用壓敏電阻(vatistor)來防止靜電(ESD)；采用共模軛流線圈(Common Mode Choke Coil)來減少對(duì)總線差模數(shù)據(jù)的干擾。USB Host接口部分的電路如圖3所示。

2．3 MCU程序下載電路
由RS232端口來下載MCU程序，對(duì)應(yīng)的電路圖如圖4所示。

DR9插座和MAX232置于單獨(dú)的下載板上，利用8PIN插座和主板(SPP／USB轉(zhuǎn)換主板)來連接。異步串行接口下載程序時(shí)，各管腳設(shè)置如下所示：
P60=‘L’，P61=‘L’；
MD0，MD1，MD2=‘HHL’。
2．4 Reset電路
在MB90F337內(nèi)部有上電復(fù)位(power on reset)功能，在外部reset電路發(fā)生外部reset請(qǐng)求。外部reset電路的初步想法如圖5所示。使用的復(fù)位芯片(resetChip)是PST9231。reset時(shí)間利用外部電容，設(shè)置為40～50 ms之間。

3 USB Host庫(kù)設(shè)計(jì)
MiniHost部分負(fù)責(zé)USB Host部分的操作，它將完成如下功能：初始化MiniHost部分電路；支持USB 2．0高速和低速設(shè)備；注冊(cè)回調(diào)函數(shù)；設(shè)備的枚舉，包括BUS Reset、SETADDRESS請(qǐng)求以及設(shè)定控制端點(diǎn)的最大包的大小：SETUP請(qǐng)求操作；Bulk傳輸請(qǐng)求操作。
3．1 Time Module部分
設(shè)置一個(gè)PWCTimer，使其再0.1ms中斷一次，在這個(gè)中斷處理程序中對(duì)記錄時(shí)間的全局變量加1，也就是說系統(tǒng)中時(shí)間的單位是0.1ms。如果記錄時(shí)間的全局變量溢出，則將這個(gè)變量的值設(shè)置為0。

初始化定時(shí)器代碼如下：

3．2 MiniHost部分
MiniHost Module主流程圖如圖6所示。

當(dāng)一個(gè)新的傳輸請(qǐng)求開始處理時(shí)，將會(huì)執(zhí)行如圖7所示流程。

1)發(fā)送SETUP階段請(qǐng)求；
2)發(fā)送塊請(qǐng)求(BULK Request)；
當(dāng)一個(gè)傳輸請(qǐng)求在一個(gè)階段處理不完時(shí)，將會(huì)執(zhí)行圖8所示流程。比如控制傳輸(Control Transfer)需要3個(gè)階段。
3)控制傳輸(Control Transfer)結(jié)束，向EndPoint結(jié)構(gòu)體中寫入傳送完成的結(jié)果，并根據(jù)傳輸?shù)念愋妥鱿鄳?yīng)處理。
4)塊傳輸(BULK Transfer)結(jié)束，向EndPoint結(jié)構(gòu)體中寫入傳送完成的結(jié)果，并向并口上發(fā)送ACK BUSY信號(hào)。

4 并口到USB接口打印轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)
4．1 打印轉(zhuǎn)換器功能描述
利用上述系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠把并口轉(zhuǎn)換為USB接口的打印轉(zhuǎn)換器，這個(gè)轉(zhuǎn)換器只是把從并口收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到USB接口上，然后根據(jù)USB接口規(guī)范，把數(shù)據(jù)重新包裝后發(fā)送給USB打印機(jī)，轉(zhuǎn)換器中并不需要對(duì)并口的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解釋，只是轉(zhuǎn)發(fā)。
4．2 并口打印機(jī)數(shù)據(jù)傳輸過程
并口打印機(jī)采用IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)為PC和外設(shè)之間的通訊定義了雙向通訊協(xié)議，通過該協(xié)議PC和外設(shè)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸率可以比以前提高20到50倍，同時(shí)該協(xié)議保持了軟件的向下兼容性。IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)一共定義了5種數(shù)據(jù)傳輸模式，即正向傳輸模式(兼容模式)，兩種反向傳輸模式(半字節(jié)模式和字節(jié)模式)，兩種雙向傳輸模式(EPP模式一高速增強(qiáng)并行端口和ECP模式-擴(kuò)展并行端口)。
打印電纜我們采用D25接口，并行口一般有25個(gè)引腳，其中包括8位數(shù)據(jù)線，5位打印機(jī)狀態(tài)線，4位控制線。
4．3 USB接口打印機(jī)數(shù)據(jù)傳輸過程
打印設(shè)備它們能夠把頁(yè)面描述語(yǔ)言(PDL)轉(zhuǎn)換為人們能夠讀懂的打印頁(yè)面。因此需要制定打印機(jī)如何來接收這些PDL格式的數(shù)據(jù)，如何能夠返回打印機(jī)的狀態(tài)信息。常規(guī)的并口打印機(jī)用一個(gè)雙向打印端口來只認(rèn)識(shí)這些語(yǔ)言。USB用一個(gè)Bulk OUT端點(diǎn)來發(fā)送這些數(shù)據(jù)到打印機(jī)，并用一個(gè)Bulk IN端點(diǎn)來發(fā)送狀態(tài)信息或其他數(shù)據(jù)。對(duì)于現(xiàn)已存在的方式來說，能夠在主機(jī)中通過Bulk IN端點(diǎn)使用查詢機(jī)制來檢索并口的狀態(tài)信息。一些PDL允許打印機(jī)返回大量的數(shù)據(jù)，諸如一些字體定義等信息。如果打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，它將使用用于傳送回狀態(tài)信息的Bulk IN端點(diǎn)來傳送回這些數(shù)據(jù)。
4．4 功能設(shè)計(jì)
1)并口部分功能
①為了方便處理打印并口只支持IEEE 1284-1994 SPP模式。
②打印數(shù)據(jù)只支持單方向(數(shù)據(jù)：PC→轉(zhuǎn)換器)。
③BUSY和ACK的信號(hào)時(shí)序類型為A-B(Ack-in-Busy)。
2)USB打印機(jī)接口功能
①支持USB Ver2．0 Full Speed。
②符合Universal Serial Bus SpecifICation 2．0。
③符合Universal Serial Bus Device Class Definition for Printing Devices規(guī)范。
④控制傳送的數(shù)據(jù)最大值為64字節(jié)。
⑤批量(Bulk)傳送的數(shù)據(jù)最大值為64字節(jié)。
⑥不處理USB Hub。
3)內(nèi)部功能
①定期取得打印機(jī)的狀態(tài)(以1秒為單位)，反映到并口信號(hào)線中(利用USB控制傳送的GET_PORT_STATUS)。
②并口的收信緩沖存儲(chǔ)為64字節(jié)，接收到64字節(jié)后由USB接口傳送給打印機(jī)。
③并口的收信處理中設(shè)置了超時(shí)(1秒)，一旦超時(shí)發(fā)生，接收到的數(shù)據(jù)由USB接口傳送給打印機(jī)。
4．5 并口模塊
負(fù)責(zé)和并口相關(guān)的工作。從并口讀取數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。設(shè)置和讀取并口狀態(tài)和控制端口。通過讀取時(shí)間，來生成并口的時(shí)序。使用中斷(Interrupt)對(duì)并口的InputPrime信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。使用中斷(Interrupt)對(duì)并口的nStrobe信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4．6 主模塊(Main Module)
主模塊負(fù)責(zé)初始化整個(gè)系統(tǒng)，包括Parallel Module，MiniHost Module以及整個(gè)系統(tǒng)的變量。編寫一個(gè)回調(diào)函數(shù)，此函數(shù)在設(shè)備狀態(tài)(連接或斷開)改變時(shí)調(diào)用。在檢測(cè)到設(shè)備連接后，調(diào)用MiniHost Module枚舉功能，枚舉打印機(jī)，并把打印機(jī)設(shè)置為某種模式。檢查是否要發(fā)送的控制或批量傳送。如果要，則把它們發(fā)送出去。

5 結(jié)束語(yǔ)
本論文設(shè)計(jì)了一種嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)，并完成了該系統(tǒng)的硬件和固件的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。為了驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了打印機(jī)IEEE 1284中的SPP模式協(xié)議到USB打印設(shè)備類協(xié)議轉(zhuǎn)換器。在硬件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用富士通90330系列MCU中的MB90F337完成中央控制器和USB Host控制器，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。文章為其他嵌入式USB Host設(shè)備的開發(fā)提供了設(shè)計(jì)參考。