嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的USB主設(shè)備功能分析

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

USB外圍設(shè)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(shè)備通信。直到最近，也只有PC具有主設(shè)備能力。但目前，許多微控制器也具有了嵌入式USB主設(shè)備的功能，這使得嵌入式應(yīng)用可以連接更加廣泛的USB外圍設(shè)備。

USB閃存驅(qū)動(dòng)器是一種使用非常廣泛的USB外圍設(shè)備，它已經(jīng)成為傳遞或存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的廉價(jià)介質(zhì)，許多數(shù)據(jù)記錄設(shè)備正是得益于它才得以發(fā)展。對(duì)于遠(yuǎn)程的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)記錄，可以先采集，并存儲(chǔ)在閃存驅(qū)動(dòng)器中，然后帶回到方便分析處理的地方。

閃存驅(qū)動(dòng)器也可以用于向PC中傳輸高速時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)。PC是極好的數(shù)據(jù)分析工具，但實(shí)時(shí)能力有限。相反，嵌入式應(yīng)用特別適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，但數(shù)據(jù)分析能力通常很弱。嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀可以在閃存驅(qū)動(dòng)器上存儲(chǔ)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(shì)都得到了充分的發(fā)揮。

嵌入式USB主設(shè)備的應(yīng)用

開始嵌入式設(shè)計(jì)的首要任務(wù)之一是選擇微控制器。為了使用閃存驅(qū)動(dòng)器，微控制器就必須具有嵌入式USB主設(shè)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(shè)備功能。USB外圍設(shè)備，有時(shí)也稱為USB設(shè)備模式，只能用作閃存驅(qū)動(dòng)器等，而不能和其他USB外圍設(shè)備通信。

其次，設(shè)計(jì)者應(yīng)該確信能有完整的開發(fā)工具。至少也需要一個(gè)器件編程器(如果有一個(gè)調(diào)試器是最好的)和一個(gè)C語言編譯器，因?yàn)榍度胧経SB主設(shè)備和運(yùn)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(shè)計(jì)者也應(yīng)該了解哪些軟件庫是可以獲得的，因?yàn)榍度胧皆O(shè)備發(fā)現(xiàn)閃存驅(qū)動(dòng)器時(shí)的握手操作需要USB設(shè)備類、FAT32文件系統(tǒng)和其他庫的支持。從頭開始設(shè)計(jì)支持嵌入式USB主設(shè)備的工作會(huì)需要數(shù)月的時(shí)間，而一個(gè)由經(jīng)過認(rèn)證的協(xié)議棧組成的方案可以節(jié)省相當(dāng)多的時(shí)間。

為了使用閃存驅(qū)動(dòng)器，嵌入式設(shè)備也需要一種USB海量存儲(chǔ)類(Mass Storage Class)設(shè)備的終端驅(qū)動(dòng)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(chǔ)空間的閃存驅(qū)動(dòng)器使用FAT16文件系統(tǒng)，而更大容量的閃存驅(qū)動(dòng)器將使用FAT32文件系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)要求

一旦選定了微控制器，硬件設(shè)計(jì)就開始了。USB硬件設(shè)計(jì)需要遵循以下許多規(guī)則。

● 如果嵌入式主設(shè)備需要支持USB設(shè)備類，它對(duì)外圍的供電就必須能夠提供500mA的電流。

● 如果嵌入式主設(shè)備需要支持任何消耗電流超過100mA的設(shè)備，它也必須能夠提供500mA的電流。

● 如果嵌入式主設(shè)備需支持消耗電流100mA或更低的設(shè)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(shè)備需支持消耗電流超過100mA的設(shè)備，那么VBUS電壓限制是 4.75V，就和全功能主設(shè)備一樣。

● 必須重新設(shè)計(jì)無須用戶干預(yù)就可復(fù)位的過流保護(hù)機(jī)制。

● 從USB連接器到收發(fā)器之間的傳輸延遲必須在8ns之內(nèi)。

● 嵌入式USB主設(shè)備在VBUS上的電容必須大于120μF，而且USB OTG設(shè)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(xì)考慮采用嵌入式USB主設(shè)備應(yīng)用的用戶接口。USB外圍設(shè)備通常用在PC上，萬一發(fā)生錯(cuò)誤就可以提供詳細(xì)的錯(cuò)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(qiáng)制性的規(guī)定，經(jīng)過認(rèn)證的USB嵌入式主設(shè)備必須提供錯(cuò)誤信息。換句話說，所有錯(cuò)誤信息必須被明確地通知應(yīng)用層，也就是告知用戶。

USB設(shè)備認(rèn)證

USB認(rèn)證主要用于保證USB設(shè)備符合USB規(guī)范的要求。認(rèn)證可以在各種獨(dú)立的測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行。一旦產(chǎn)品通過認(rèn)證，生產(chǎn)商就被允許使用USB標(biāo)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(rèn)證而直接進(jìn)行生產(chǎn)和銷售。沒有USB認(rèn)證，生產(chǎn)商可以聲明自己的產(chǎn)品支持USB，但他不能在設(shè)備或包裝上的任何地方使用USB標(biāo)志。通常，取得USB嵌入式主設(shè)備認(rèn)證是不太難的。

通過USB通信

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

如果閃存驅(qū)動(dòng)器需要的上電時(shí)間是允許最大時(shí)間的兩倍或一半，或由于主機(jī)以最大允許的速率輪詢時(shí)閃存驅(qū)動(dòng)器被鎖住，以及因?yàn)殚W存驅(qū)動(dòng)器需要一種不同的 SCSI命令序列來建立通信等，這都不會(huì)有任何問題。但如果這樣的閃存驅(qū)動(dòng)器在主設(shè)備上不能運(yùn)行，在PC上卻可以正常使用，用戶會(huì)批*這一主設(shè)備。因此，確保進(jìn)行廣泛的測(cè)試，與多種沒有進(jìn)行認(rèn)證的USB外圍設(shè)備進(jìn)行通信，即使它只是一個(gè)拇指大的閃存驅(qū)動(dòng)器或一根電纜。

雖然嵌入式USB主設(shè)備可以提供USB類級(jí)的支持，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)，也應(yīng)該考慮對(duì)特殊USB外圍設(shè)備支持的限制，通過對(duì)VID(供應(yīng)商ID)和 PID(產(chǎn)品ID)的識(shí)別來保證產(chǎn)品能在設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域正常使用。這個(gè)ID列表是指USB執(zhí)行者論壇所發(fā)布的目標(biāo)外圍設(shè)備列表(TPL)，它是為了獲得嵌入式主設(shè)備認(rèn)證所必須服從的檢查項(xiàng)目列表。完整的OTG認(rèn)證實(shí)際上僅需要與TPL列表中的VID/PID標(biāo)志的產(chǎn)品互操作。