一種嵌入式USB MiniHost系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁寶娟，孫少波

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.西安文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，陜西 西安 710065）

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]。

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）[2]。

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[3-4]。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。

圖1 USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 USB bus topological structure

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。

圖2 電源部分電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the power control unit system

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（varistor）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[5-6]。USB Host接口部分的電路如圖 3所示。

圖3 USB接口電路圖Fig.3 USB interface circuit

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。

圖4 MCU程序下載電路Fig.4 MCU program download circuit

DB9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：

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 （reset chip）是 PST9231。reset時(shí)間利用外部電容，設(shè)置為40～50 ms之間。

圖5 上電復(fù)位電路Fig.5 Power on reset circuit

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、SET ADDRESS請(qǐng)求以及設(shè)定控制端點(diǎn)的最大包的大??；SETUP請(qǐng)求操作；Bulk傳輸請(qǐng)求操作[7]。

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)。

圖6 MiniHost Module主流程圖Fig.6 MiniHost module main flow chart

圖7 新傳輸請(qǐng)求處理過程Fig.7 NEW request process flow chart

圖8 CHECK處理過程Fig.8 CHECK process flow chart

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-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)備它們能夠把頁面描述語言（PDL）轉(zhuǎn)換為人們能夠讀懂的打印頁面。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)[8]。

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

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。

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