基于TTL串口的嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種基于TTL串口的嵌入式USB 主機(jī)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，以及USB 主機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)軟件的實(shí)現(xiàn)，并簡(jiǎn)要介紹其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
關(guān)鍵字：嵌入式；USB主機(jī)；TTL串口；Mass storage類 

1 引言

    隨著移動(dòng)存儲(chǔ)業(yè)的發(fā)展及數(shù)碼產(chǎn)品的普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控行業(yè)和嵌入式用戶對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)的需求越來(lái)越大，也對(duì)數(shù)據(jù)移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)提出了更高的應(yīng)用要求，包括到地礦數(shù)據(jù)采集行業(yè)用戶、水文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集行業(yè)用戶、儀器儀表制造行業(yè)用戶、鐵路、長(zhǎng)途汽運(yùn)等交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用戶、油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶、單板系統(tǒng)的軟件升級(jí)用戶、紡織系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用戶、銀行等。但由于之前多數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、工控機(jī)及嵌入式系統(tǒng)不具備USB數(shù)據(jù)輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)接口，所以在USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面一直得不到很好的普及。業(yè)界和用戶的需求使得嵌入式ＵＳＢ主機(jī)的研究成為ＵＳＢ研究領(lǐng)域的一個(gè)新的方向。

    本文介紹了一種基于TTL串口的ＵＳＢ主機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)TTL串口（或并口）轉(zhuǎn)接出USB接口，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。嵌入式設(shè)備需要通過(guò)TTL串口，按照ＵＳＢ主機(jī)系統(tǒng)的串口通信協(xié)議與ＵＳＢ主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，主機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)優(yōu)盤(pán)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并給出了硬件設(shè)計(jì)和USB 主機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)方法。

2  USB主機(jī)工作原理

    對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)嵌入式USB主機(jī)，可以參照PC上的USB主機(jī)。對(duì)于PC上的USB主機(jī)，其硬件方面

    由一個(gè)USB主機(jī)接口芯片控制，這個(gè)接口芯片在通過(guò)PCI總線與PC機(jī)通訊，其余還有電源管理部分；軟件方面主要有三部分：USB接口驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)CPU與USB主機(jī)接口芯片的通訊，負(fù)責(zé)底層USB包的接收和發(fā)送；USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)解析設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?/SPAN>USB的各種操作命令，并在解碼后發(fā)給底層驅(qū)動(dòng)程序；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，也就是上層的應(yīng)用程序，包括操作系統(tǒng)提供給用戶的API,以及用戶自定義的對(duì)USB設(shè)備的操作，比如發(fā)送設(shè)備特有的USB命令請(qǐng)求。PC上的USB主機(jī)端軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。  

3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    整個(gè)系統(tǒng)的核心芯片選用Motorola公司的DSP56f803和TDI公司的USB HOST控制器UHC124。整個(gè)系統(tǒng)由DSP56f803模塊、UHC124模塊、UART串口模塊。

 3．1 DSP56f803模塊

    系統(tǒng)的核心控制器，包括基本硬件和編寫(xiě)的固件。實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)現(xiàn)與UHC124的物理連接和通訊，并且配置UHC124的控制寄存器；配置USB外設(shè)，實(shí)現(xiàn)USB通信，實(shí)現(xiàn)USB Host要求的各項(xiàng)配置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，接?/SPAN>USB Host的命令來(lái)管理USB外設(shè)；實(shí)現(xiàn)FAT16文件系統(tǒng)。

 3．2 UHC124模塊

    USB HOST控制器的硬件部分。實(shí)現(xiàn)USB Host的接口，配置下行USB設(shè)備，管理USB總線電源。實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)現(xiàn)各種USB Host動(dòng)作，協(xié)調(diào)內(nèi)容各項(xiàng)功能，與外圍主控制器通訊；存放傳輸?shù)?/SPAN>USB數(shù)據(jù)，設(shè)置USB傳輸特性；與作為主控制器的DSP56f803接口連接；管理USB電源，連接下行USB設(shè)備，總共帶有4個(gè)下行USB設(shè)備端口。

3．3 UART串口模塊

    與用戶通過(guò)串口進(jìn)行協(xié)議通訊的固件部分。實(shí)現(xiàn)自定義的串口通訊協(xié)議，即根據(jù)自定義的串口通訊協(xié)議，解析串口通訊數(shù)據(jù)包，調(diào)用相應(yīng)的文件操作接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶的文件操作命令。

4．硬件設(shè)計(jì)

4．1硬件架構(gòu)

    硬件主要模塊包括USB HOST、主控芯片、外部SRAM、譯碼指示和電源部分。主控芯片和USB HOST芯片連接，控制USB HOST芯片與移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)通訊。考慮到需要給用戶預(yù)留數(shù)據(jù)Buffer,所以外擴(kuò)SRAM。因?yàn)樾酒ぷ麟娫床煌?，所以要提供兩組直流電源,譯碼指示電路采用3個(gè)LED指示燈，一個(gè)電源指示，一個(gè)指示移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)的接入，另一個(gè)指示了工控機(jī)與移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)通訊工作中。

4．2 USB主控芯片的選型

    對(duì)于主控芯片的選型應(yīng)該會(huì)有多種選擇，只要帶有UART接口,程序存儲(chǔ)空間足夠，程序的執(zhí)行效率可以滿足系統(tǒng)的功能需求即可。對(duì)于USB主控芯片，目前市面上出現(xiàn)的主要有3種：Sypress公司的SL811、

    Philips公司的ISP1161和TDI公司的UHC124。其中，SL811較為常見(jiàn)，筆者也曾用過(guò)此芯片進(jìn)行過(guò)第一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，綜合各方面的選型因素考慮，第二代產(chǎn)品選用了UHC124。

    UHC124與其他兩款芯片的主優(yōu)勢(shì)在于：支持包傳送，最多可一次性傳送16個(gè)USB 協(xié)議交互數(shù)據(jù)，而不會(huì)向CPU產(chǎn)生中斷，而SL811是每次都會(huì)產(chǎn)生中斷，大大占用了CPU的資源；支持所有的USB傳輸

    類型，包括控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸和同步傳輸，且數(shù)據(jù)包最大可達(dá)到1023字節(jié)；具有2K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

4．3主控芯片與USB HOST相連的接口電路

    UHC124支持兩種存儲(chǔ)器訪問(wèn)模式，取決于MODE引腳的電平高低。如果主控芯片沒(méi)有外部總線，需

    采用模式0；如果主控芯片有獨(dú)立或復(fù)用的數(shù)據(jù)地址總線，采用模式1。本方案所選的主控芯片DSP56f803

    具有獨(dú)立的地址數(shù)據(jù)總線，因此采用UHC124的工作模式1。接口電路如下圖4所示：

5．   軟件設(shè)計(jì)

    USB 主機(jī)軟件的設(shè)計(jì)我們可以參照PC的USB 主機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)。本方案的簡(jiǎn)要軟件流程圖如圖5所示。

5．1 USB接口驅(qū)動(dòng)程序

    主要實(shí)現(xiàn)主控芯片DSP56f803與USB主機(jī)接口芯片UHC124的通訊，以及底層USB包的接收和發(fā)送，

    是實(shí)現(xiàn)整個(gè)USB體系的基礎(chǔ)。包括如下幾個(gè)函數(shù)：

void ReadLengthFromHost(UCHAR ucaddr,UCHAR uclength,UCHAR *pucdata);      

void WriteLengthToHost(UCHAR *pucdata,UCHAR  uclength,UCHAR ucaddr);

UCHAR OutBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

UCHAR InBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

5．2 USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序

   主要實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)命令請(qǐng)求，主要包括：

ClearFeature(),GetConfiguration(),GetDescriptor(),GetInmterface(),GetStatus(),SetAddress(),SetConfiguration(),SetDescriptor(),SetFeature(),SetInterface()。

    具體的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的含義請(qǐng)參考USB 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。USB 主機(jī)要在檢測(cè)到有USB設(shè)備插入時(shí)，完成對(duì)USB設(shè)備的枚舉，之后USB主機(jī)和USB設(shè)備才可以進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)包通訊狀態(tài)。

5．3 USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序

    移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)屬于USB協(xié)議所定義的設(shè)備類中的Mass Storage類，USB 組織定義了海量存儲(chǔ)設(shè)備類（Mass

Storage Class）的規(guī)范，這個(gè)類規(guī)范包括四個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范，即：1. USB Mass Storage Class

Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport 3. USB MassStorage

Class ATA Command Block 4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。前兩個(gè)子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB 上的傳輸方法。Bulk- Only 傳輸規(guī)范僅僅使用Bulk 端點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI 傳

    輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)傳送。后兩個(gè)子規(guī)范則定義了存儲(chǔ)介質(zhì)的操作命令。ATA 命令規(guī)范用于硬盤(pán)，UFI 命令規(guī)范是針對(duì)USB 移動(dòng)存儲(chǔ)。因此USB主機(jī)需要遵循Mass Storage 協(xié)議來(lái)組織數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，即可實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)存儲(chǔ)盤(pán)交換數(shù)據(jù)。

6．結(jié)束語(yǔ)

     嵌入式USB主機(jī)的開(kāi)發(fā)，目前在國(guó)外也處于剛剛起步的階段，可以提供的USB HOST接口芯片的并不多。作為USB總線研究的另一熱點(diǎn)，嵌入式USB HOST的研究具有一定的先進(jìn)性和前瞻性。以嵌入式USB 主機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以在工業(yè)和民用兩個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。 

參考文獻(xiàn)：
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[3]Open Host Controller Interface Specification for USB[z]. Compaq, microsoft,National Semiconductor ,  1999
[4]USB Specification 1.1[z], 1998.