基于嵌入式系统的USB（HID）设备设计

　　0 引言

　　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1 1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*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 CortexTM-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。[page]

　　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。

　　5 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。

[1]. PCB datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[2]. PC  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[3]. LM310  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/LM310+_838172.html.
[4]. RS232  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS232+_585128.html.
[5]. RS485  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS485+_585289.html.