USB和SD接口復(fù)用設(shè)計(jì)

朱國鐘

【摘要】便攜小音箱一般包括模擬音頻輸入AUX、外放喇叭、SD卡接口、USB接口和按鍵。在實(shí)際使用中，一般不會(huì)同時(shí)進(jìn)行USB和SD通信，如果能夠?qū)SB接口和SD接口的引腳復(fù)用起來，節(jié)省2個(gè)引腳，那么用8pin封裝的主控來實(shí)現(xiàn)便攜小音箱功能，將會(huì)是一個(gè)非常有價(jià)值的解決方案。

【關(guān)鍵詞】USB;SD卡;分時(shí)復(fù)用;插入檢測

1.引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用需求的迅速膨脹，終端芯片的集成功能越來越多，導(dǎo)致芯片引出管腳不斷增加。另一方面，為減少封裝成本和制造成本，生產(chǎn)商對(duì)封裝成本和應(yīng)用成本的控制是越來越嚴(yán)格，這就要求減少封裝引腳數(shù)目。顯然人們的需求和成本是矛盾的。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，便攜小音箱因?yàn)轶w積小、音效好、功能全、使用方便等特點(diǎn)，廣受消費(fèi)者的歡迎。便攜小音箱一般包括模擬音頻輸入AUX、外放喇叭、SD卡接口、USB接口和按鍵。為了支持這些功能，便攜小音箱的主控芯片一般包括1個(gè)AUX輸入引腳、3個(gè)SD卡接口引腳、2個(gè)USB接口引腳、1個(gè)DAC輸出引腳、1個(gè)按鍵檢測引腳，2個(gè)電源引腳，共10個(gè)引腳。常見的16pin封裝對(duì)這種功能需求，顯得冗余。為了節(jié)省主控芯片成本，去選擇8pin封裝時(shí)候，又無法完全實(shí)現(xiàn)便攜小音箱的功能需求。

當(dāng)前消費(fèi)電子產(chǎn)品的USB接口和SD接口與MCU的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有USB/SD接口結(jié)構(gòu)示意圖

便攜小音箱在實(shí)際使用中，一般不會(huì)同時(shí)進(jìn)行USB和SD通信，如果能夠?qū)SB接口和SD接口的引腳復(fù)用起來，節(jié)省2個(gè)引腳，那么用8pin封裝的主控來實(shí)現(xiàn)便攜小音箱功能，將會(huì)是一個(gè)非常有價(jià)值的解決方案。

2.USB和SD接口復(fù)用硬件電路

如圖2所示，本文以便攜小音箱的應(yīng)用方案為例，描述一種USB和SD接口復(fù)用電路設(shè)計(jì)，包括MCU主控芯片，USB接口和SD接口。MCU主控芯片包括CPU，SD模塊，USB模塊，定時(shí)器，電平檢測模塊，通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC和IOD，復(fù)用控制模塊;USB接口包括第一數(shù)據(jù)引腳USB_DM和第二數(shù)據(jù)引腳USB_DP;SD接口包括命令引腳SD_CMD、時(shí)鐘引腳SD_CLK、數(shù)據(jù)引腳SD_DATA、插入檢測引腳SD_DET;SD_CLK引腳和IOA引腳連接，SD_DAT引腳和IOB引腳連接，SD_CMD引腳和IOC引腳連接，SD_DET引腳與IOD引腳連接;USB_DM和USB_DP分別與IOA和IOB兩個(gè)引腳連接。

復(fù)用控制模塊用于控制SD模塊、USB模塊、電平檢測模塊和通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC、IOD的連接關(guān)系;SD模塊通過復(fù)用控制模塊，和通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC連接; USB模塊通過復(fù)用控制模塊，和通用輸入輸出引腳IOA、IOB連接;電平檢測模塊通過服用控制模塊，和通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOD連接。

3.USB和SD接口復(fù)用軟件控制流程

為了實(shí)現(xiàn)USB和SD接口復(fù)用方法，MCU軟件需要設(shè)置6個(gè)USB接口狀態(tài)，6個(gè)SD接口狀態(tài)和3個(gè)工作流程。接口狀態(tài)如圖3所示。

6個(gè)USB接口狀態(tài)：USB離線狀態(tài)、USB在線狀態(tài)、USB掛起狀態(tài)、USB激活狀態(tài)、USB空閑狀態(tài)、USB通信狀態(tài)。USB離線狀態(tài)和USB在線狀態(tài)同一時(shí)間只有一個(gè)狀態(tài)有效，USB在線狀態(tài)為USB掛起狀態(tài)和USB激活狀態(tài)的前提條件。USB掛起狀態(tài)和USB激活狀態(tài)同一時(shí)間最多只有一個(gè)狀態(tài)有效，USB激活狀態(tài)為USB空閑狀態(tài)和USB通信狀態(tài)的前提條件。USB空閑狀態(tài)和USB通信狀態(tài)同一時(shí)間最多只有一個(gè)狀態(tài)有效。

圖3 USB/SD 工作狀態(tài)示意圖

6個(gè)SD接口狀態(tài)：SD離線狀態(tài)、SD在線狀態(tài)、SD掛起狀態(tài)、SD激活狀態(tài)、SD空閑狀態(tài)、SD通信狀態(tài)。SD離線狀態(tài)和USB在線狀態(tài)同一時(shí)間只有一個(gè)狀態(tài)有效，SD在線狀態(tài)為SD掛起狀態(tài)和SD激活狀態(tài)的前提條件。SD掛起狀態(tài)和SD激活狀態(tài)同一時(shí)間最多只有一個(gè)狀態(tài)有效，SD激活狀態(tài)為SD空閑狀態(tài)和SD通信狀態(tài)的前提條件。SD空閑狀態(tài)和SD通信狀態(tài)同一時(shí)間最多只有一個(gè)狀態(tài)有效。

USB激活狀態(tài)和SD激活狀態(tài)同一時(shí)間最多只有一個(gè)狀態(tài)有效。

利用CPU，SD模塊，USB模塊，定時(shí)器，電平檢測模塊，通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC和IOD，復(fù)用控制模塊等硬件結(jié)構(gòu)，配合軟件操作流程，實(shí)現(xiàn)USB和SD接口檢測切換流程。

下面舉例說明具體實(shí)現(xiàn)檢測切換的過程及步驟。

假設(shè)通電開機(jī)時(shí)，沒有插入SD卡和U盤，開機(jī)后先插入SD卡播放，再插入U(xiǎn)盤播放。

開機(jī)后，USB接口和SD接口均處于離線狀態(tài)。軟件設(shè)置使能定時(shí)器每50ms產(chǎn)生一次中斷。CPU進(jìn)入定時(shí)中斷子程序后，按既定流程檢測USB接口和SD接口的連接情況。根據(jù)檢測的結(jié)果，設(shè)置USB接口和SD接口的狀態(tài)。

插入SD卡后，定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，CPU執(zhí)行如下檢測和設(shè)置步驟：（1）流程a檢測“USB是否處于通信狀態(tài)”。USB不在通信狀態(tài)，進(jìn)入流程b;（2）流程b檢測“SD是否處于通信狀態(tài)”。SD卡不在通信狀態(tài)，進(jìn)入流程c;（3）流程c檢測“USB是否處于空閑狀態(tài)”。USB不在空閑狀態(tài)，進(jìn)入流程d;（4）流程d檢測“SD是否處于空閑狀態(tài)”。SD不在空閑狀態(tài)，進(jìn)入流程e;（5）流程e檢測“SD是否處于掛起狀態(tài)”。SD不在掛起狀態(tài)，進(jìn)入流程o;（6）流程o檢測“SD是否在線”。此時(shí)已經(jīng)插入SD卡，SD卡在線，進(jìn)入流程p;（7）流程p里面，CPU配置復(fù)用控制模塊，建立SD模塊和IOA、IOB、IOC的連接。設(shè)置SD接口為激活狀態(tài)，進(jìn)入流程s;（8）退出中斷子程序后，根據(jù)音箱系統(tǒng)的需要，進(jìn)行SD通信。

此后，再插入U(xiǎn)盤。定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，CPU執(zhí)行如下檢測和設(shè)置步驟：（1）流程a檢測“USB是否處于通信狀態(tài)”，USB不在通信狀態(tài)，進(jìn)入流程b;（2）流程b檢測“SD是否處于通信狀態(tài)”，如果SD卡處于通信狀態(tài)，則退出中斷子程序，等待定時(shí)器再次中斷，如果SD卡不處于通信狀態(tài)，因?yàn)镾D接口已經(jīng)被激活，則必然處于空閑狀態(tài)，進(jìn)入流程c;（3）流程c檢測“USB是否處于空閑狀態(tài)”，USB不在空閑狀態(tài)，進(jìn)入流程d;（4）流程d檢測“SD是否處于空閑狀態(tài)”，SD接口處于空閑狀態(tài)，進(jìn)入流程k;（5）流程k檢測“USB是否處于掛起狀態(tài)”，USB不在掛起狀態(tài)，進(jìn)入流程l;（6）流程l里面，為了避免USB檢測動(dòng)作影響SD模塊和SD卡，將SD設(shè)置為掛起狀態(tài)，再檢測“USB是否在線”，此時(shí)U盤已經(jīng)插入在線，進(jìn)入流程m;（7）流程m將USB設(shè)置為激活狀態(tài)后，進(jìn)入流程s;（8）退出中斷子程序后，根據(jù)音箱系統(tǒng)的需要，進(jìn)行USB通信。

對(duì)于先插入U(xiǎn)盤，再插入SD卡的情況，可以參考上述過程，實(shí)現(xiàn)在線檢測和狀態(tài)設(shè)置。

如果SD接口正處于激活狀態(tài)，SD卡也仍然連接在線，系統(tǒng)需要進(jìn)行SD通信時(shí)，CPU執(zhí)行如下步驟：（1）流程a檢測SD卡是否在線。因?yàn)镾D沒有被拔出，進(jìn)入流程b;（2）流程b里面，將SD接口設(shè)置為通信狀態(tài)。然后進(jìn)入流程c，開始SD通信;（3）SD通信結(jié)束后，進(jìn)入流程d;（4）流程d將SD接口設(shè)置為空閑狀態(tài)后，進(jìn)入流程f，退出SD通信流程。

如果USB接口正處于激活狀態(tài)，但U盤已經(jīng)被拔出。當(dāng)系統(tǒng)嘗試再進(jìn)行USB通信時(shí)，CPU執(zhí)行如下步驟：（1）流程a檢測USB盤是否在線，因?yàn)閁盤已經(jīng)被拔出離線，進(jìn)入流程e;（2）流程e將USB接口設(shè)置為離線狀態(tài)后，進(jìn)入流程f，退出USB通信流程。

結(jié)合上述硬件電路和軟件流程，即可實(shí)現(xiàn)USB接口和SD卡接口的分時(shí)復(fù)用功能。

4.總結(jié)

本文所述的USB和SD接口復(fù)用電路，通過配置MCU主控芯片內(nèi)復(fù)用控制模塊控制設(shè)定和通用輸入輸出接口狀態(tài)，配合軟件的處理流程，分時(shí)復(fù)用IOA、IOB、IOC、IOD引腳，進(jìn)行USB通信或SD通信。SD設(shè)備和USB設(shè)備插拔動(dòng)作和連線狀態(tài)，都不會(huì)干擾當(dāng)前正在使用的USB設(shè)備或者SD設(shè)備。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，在不影響MCU主控芯片應(yīng)用功能的同時(shí)減少了引腳數(shù)量需求，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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[5]新概念51單片機(jī)C語言教程.