嵌入式應用中的USB主設備功能

USB已經(jīng)成為設備和PC之間通信的標準方式，從通用設備（如閃存設備和鼠標）到專用設備，該標準幾乎完全替代了其他的串行通信協(xié)議。

USB外圍設備彼此之間不能相互通信，它們只能與具有控制總線能力的USB主設備通信。直到最近，也只有PC具有主設備能力。但目前，許多微控制器也具有了嵌入式USB主設備的功能，這使得嵌入式應用可以連接更加廣泛的USB外圍設備。

USB閃存驅動器是一種使用非常廣泛的USB外圍設備，它已經(jīng)成為傳遞或存儲大量數(shù)據(jù)的廉價介質，許多數(shù)據(jù)記錄設備正是得益于它才得以發(fā)展。對于遠程的長期數(shù)據(jù)記錄，可以先采集，并存儲在閃存驅動器中，然后帶回到方便分析處理的地方。

圖1 具有嵌入式USB主設備功能的微控制器PIC24FJ256GB1

閃存驅動器也可以用于向PC中傳輸高速時間相關數(shù)據(jù)。PC是極好的數(shù)據(jù)分析工具，但實時能力有限。相反，嵌入式應用特別適合實時數(shù)據(jù)采集，但數(shù)據(jù)分析能力通常很弱。嵌入式實時數(shù)據(jù)記錄儀可以在閃存驅動器上存儲數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上分析，這樣二者的優(yōu)勢都得到了充分的發(fā)揮。

嵌入式USB主設備的應用
開始嵌入式設計的首要任務之一是選擇微控制器。為了使用閃存驅動器，微控制器就必須具有嵌入式USB主設備的能力。如果微控制器具有USB OTG（On-The-Go）或USB雙角色（Dual Role）功能，如Microchip公司的PIC24FJ256GB1微控制器，如圖1所示，它也可以支持嵌入式USB主設備功能。USB外圍設備，有時也稱為USB設備模式，只能用作閃存驅動器等，而不能和其他USB外圍設備通信。

其次，設計者應該確信能有完整的開發(fā)工具。至少也需要一個器件編程器（如果有一個調試器是最好的）和一個C語言編譯器，因為嵌入式USB主設備和運行在微控制器中的程序往往是用C語言而不是用匯編語言編寫的。

最后，設計者也應該了解哪些軟件庫是可以獲得的，因為嵌入式設備發(fā)現(xiàn)閃存驅動器時的握手操作需要USB設備類、FAT32文件系統(tǒng)和其他庫的支持。從頭開始設計支持嵌入式USB主設備的工作會需要數(shù)月的時間，而一個由經(jīng)過認證的協(xié)議棧組成的方案可以節(jié)省相當多的時間。

為了使用閃存驅動器，嵌入式設備也需要一種USB海量存儲類（Mass Storage Class）設備的終端驅動程序、硬件命令行接口，以及文件系統(tǒng)接口。通常，具有2Gb或更低存儲空間的閃存驅動器使用FAT16文件系統(tǒng)，而更大容量的閃存驅動器將使用FAT32文件系統(tǒng)。

設計要求
一旦選定了微控制器，硬件設計就開始了。USB硬件設計需要遵循以下許多規(guī)則。
● 如果嵌入式主設備需要支持USB設備類，它對外圍的供電就必須能夠提供500mA的電流。
● 如果嵌入式主設備需要支持任何消耗電流超過100mA的設備，它也必須能夠提供500mA的電流。
● 如果嵌入式主設備需支持消耗電流100mA或更低的設備，那么VBUS電壓限制就可以降低到4.4V。然而，如果嵌入式主設備需支持消耗電流超過100mA的設備，那么VBUS電壓限制是 4.75V，就和全功能主設備一樣。
● 必須重新設計無須用戶干預就可復位的過流保護機制。
● 從USB連接器到收發(fā)器之間的傳輸延遲必須在8ns之內。
● 嵌入式USB主設備在VBUS上的電容必須大于120μF，而且USB OTG設備在VBUS上的電容必須為1.0〜6.8μF。
除以上規(guī)則外，也必須仔細考慮采用嵌入式USB主設備應用的用戶接口。USB外圍設備通常用在PC上，萬一發(fā)生錯誤就可以提供詳細的錯誤信息。如果LED指示燈閃爍，用戶能夠知道連接失敗了。USB規(guī)范也作了強制性的規(guī)定，經(jīng)過認證的USB嵌入式主設備必須提供錯誤信息。換句話說，所有錯誤信息必須被明確地通知應用層，也就是告知用戶。

USB設備認證
USB認證主要用于保證USB設備符合USB規(guī)范的要求。認證可以在各種獨立的測試機構進行。一旦產(chǎn)品通過認證，生產(chǎn)商就被允許使用USB標志，但同樣需要遵守額外的許可證限制。

產(chǎn)品也可以不通過USB認證而直接進行生產(chǎn)和銷售。沒有USB認證，生產(chǎn)商可以聲明自己的產(chǎn)品支持USB，但他不能在設備或包裝上的任何地方使用USB標志。通常，取得USB嵌入式主設備認證是不太難的。

通過USB通信
實現(xiàn)USB嵌入式主設備的一個最大挑戰(zhàn)就是要和各種各樣的USB外圍設備通信。雖然不是所有的閃存驅動器產(chǎn)品都通過了認證，但是如果在嵌入式設備中一種閃存驅動器可以正常使用，而另一種沒有任何原因就不能使用時，用戶是不會高興的。

如果閃存驅動器需要的上電時間是允許最大時間的兩倍或一半，或由于主機以最大允許的速率輪詢時閃存驅動器被鎖住，以及因為閃存驅動器需要一種不同的SCSI命令序列來建立通信等，這都不會有任何問題。但如果這樣的閃存驅動器在主設備上不能運行，在PC上卻可以正常使用，用戶會批評這一主設備。因此，確保進行廣泛的測試，與多種沒有進行認證的USB外圍設備進行通信，即使它只是一個拇指大的閃存驅動器或一根電纜。

雖然嵌入式USB主設備可以提供USB類級的支持，在進行設計和測試時，也應該考慮對特殊USB外圍設備支持的限制，通過對VID（供應商ID）和PID（產(chǎn)品ID）的識別來保證產(chǎn)品能在設計的應用領域正常使用。這個ID列表是指USB執(zhí)行者論壇所發(fā)布的目標外圍設備列表（TPL），它是為了獲得嵌入式主設備認證所必須服從的檢查項目列表。完整的OTG認證實際上僅需要與TPL列表中的VID/PID標志的產(chǎn)品互操作。