一種嵌入式USB MiniHost系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：設計并實現(xiàn)了一個嵌入式USB主機系統(tǒng)的硬件和軟件，用于解決USB設備不能脫離PC主機的問題。并在設計的硬件和軟件基礎(chǔ)上利用嵌入式C語言編制了具有USB Host功能通用固件庫。并利用這個固件庫實現(xiàn)一個具有并口到USB接口的打印轉(zhuǎn)換器。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；通用串行總線(USB)；USB主機；USB設備

    在USB的拓撲機構(gòu)中居于核心地位的是主機(Host)，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有USB設備都只能和主機建立連接，任何兩個外設之間或是兩個主機之間無法直接通信。而目前，大量扮演主機角色的是個人電腦PC。目前所買到和使用的USB設備基本都是只具備USB設備的功能而不具備主機功能，比如USB接口的移動硬盤、數(shù)碼相機、打印機等。所有這些設備都只能在USB Host上使用，也就是通常只能通過PC來進行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。沒有了PC主機，這些設備是不能互聯(lián)的。

1 USB系統(tǒng)模型和拓撲結(jié)構(gòu)
    最簡單的USB系統(tǒng)模型組成是以USB主機為核心，以外圍的USB設備為特定功能的設備模塊。即USB提供的是主機和設備中間的一種數(shù)據(jù)通信服務。此外，為了構(gòu)建更復雜的USB系統(tǒng)，還需要加上USB集線器(Hub)。
    USB主機包括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主機來發(fā)起的(遠程喚醒模式除外)，主機管理著每個USB設備。即使新興的USB On-The-Go設備，其核心部分仍然是嵌入了USB主機的功能。本方案主要是基于嵌入式USB主機的USB系統(tǒng)模型。
    USB的拓撲體系由3種元素組成：主機、Hub和設備，通過Hub的級聯(lián)，構(gòu)成了層次化的星形結(jié)構(gòu)。USB的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設計
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。

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，為了使與其連接的USB設備不進行誤操作，關(guān)閉USB電源；總線電路異常而導致過流(over current)時，系統(tǒng)自動關(guān)閉電源并通知MCU。并且還采用壓敏電阻(vatistor)來防止靜電(ESD)；采用共模軛流線圈(Common Mode Choke Coil)來減少對總線差模數(shù)據(jù)的干擾。USB Host接口部分的電路如圖3所示。

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2．3 MCU程序下載電路
    由RS232端口來下載MCU程序，對應的電路圖如圖4所示。

    DR9插座和MAX232置于單獨的下載板上，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，各管腳設置如下所示：
    P60=‘L’，P61=‘L’；
    MD0，MD1，MD2=‘HHL’。
2．4 Reset電路
    在MB90F337內(nèi)部有上電復位(power on reset)功能，在外部reset電路發(fā)生外部reset請求。外部reset電路的初步想法如圖5所示。使用的復位芯片(reset chip)是PST9231。reset時間利用外部電容，設置為40～50 ms之間。

3 USB Host庫設計
    MiniHost部分負責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高速和低速設備；注冊回調(diào)函數(shù)；設備的枚舉，包括BUS Reset、SETADDRESS請求以及設定控制端點的最大包的大?。篠ETUP請求操作；Bulk傳輸請求操作。
3．1 Time Module部分
    設置一個PWCTimer，使其再0.1ms中斷一次，在這個中斷處理程序中對記錄時間的全局變量加1，也就是說系統(tǒng)中時間的單位是0.1ms。如果記錄時間的全局變量溢出，則將這個變量的值設置為0。[!--empirenews.page--]
    初始化定時器代碼如下：
    
3．2 MiniHost部分
    MiniHost Module主流程圖如圖6所示。

    當一個新的傳輸請求開始處理時，將會執(zhí)行如圖7所示流程。

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    1)發(fā)送SETUP階段請求；
    2)發(fā)送塊請求(BULK Request)；
    當一個傳輸請求在一個階段處理不完時，將會執(zhí)行圖8所示流程。比如控制傳輸(Control Transfer)需要3個階段。
    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幚怼?br />     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。

4 并口到USB接口打印轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)
4．1 打印轉(zhuǎn)換器功能描述
    利用上述系統(tǒng)，設計一個能夠把并口轉(zhuǎn)換為USB接口的打印轉(zhuǎn)換器，這個轉(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，轉(zhuǎn)換器中并不需要對并口的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行解釋，只是轉(zhuǎn)發(fā)。
4．2 并口打印機數(shù)據(jù)傳輸過程
    并口打印機采用IEEE1284標準進行通訊。IEEE1284標準為PC和外設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，同時該協(xié)議保持了軟件的向下兼容性。IEEE1284標準一共定義了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模式一高速增強并行端口和ECP模式-擴展并行端口)。
打印電纜我們采用D25接口，并行口一般有25個引腳，其中包括8位數(shù)據(jù)線，5位打印機狀態(tài)線，4位控制線。
4．3 USB接口打印機數(shù)據(jù)傳輸過程
    打印設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如何來接收這些PDL格式的數(shù)據(jù)，如何能夠返回打印機的狀態(tài)信息。常規(guī)的并口打印機用一個雙向打印端口來只認識這些語言。USB用一個Bulk OUT端點來發(fā)送這些數(shù)據(jù)到打印機，并用一個Bulk IN端點來發(fā)送狀態(tài)信息或其他數(shù)據(jù)。對于現(xiàn)已存在的方式來說，能夠在主機中通過Bulk IN端點使用查詢機制來檢索并口的狀態(tài)信息。一些PDL允許打印機返回大量的數(shù)據(jù)，諸如一些字體定義等信息。如果打印機實現(xiàn)了這個功能，它將使用用于傳送回狀態(tài)信息的Bulk IN端點來傳送回這些數(shù)據(jù)。
4．4 功能設計
    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的信號時序類型為A-B(Ack-in-Busy)。
    2)USB打印機接口功能
    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定期取得打印機的狀態(tài)(以1秒為單位)，反映到并口信號線中(利用USB控制傳送的GET_PORT_STATUS)。
    ②并口的收信緩沖存儲為64字節(jié)，接收到64字節(jié)后由USB接口傳送給打印機。
    ③并口的收信處理中設置了超時(1秒)，一旦超時發(fā)生，接收到的數(shù)據(jù)由USB接口傳送給打印機。
4．5 并口模塊
    負責和并口相關(guān)的工作。從并口讀取數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。設置和讀取并口狀態(tài)和控制端口。通過讀取時間，來生成并口的時序。使用中斷(Interrupt)對并口的InputPrime信號進行相應的處理。使用中斷(Interrupt)對并口的nStrobe信號進行相應的處理。
4．6 主模塊(Main Module)
    主模塊負責初始化整個系統(tǒng)，包括Parallel Module，MiniHost Module以及整個系統(tǒng)的變量。編寫一個回調(diào)函數(shù)，此函數(shù)在設備狀態(tài)(連接或斷開)改變時調(diào)用。在檢測到設備連接后，調(diào)用MiniHost Module枚舉功能，枚舉打印機，并把打印機設置為某種模式。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
    本論文設計了一種嵌入式USB主機系統(tǒng)，并完成了該系統(tǒng)的硬件和固件的實現(xiàn)和調(diào)試。為了驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)了打印機IEEE 1284中的SPP模式協(xié)議到USB打印設備類協(xié)議轉(zhuǎn)換器。在硬件設計中，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，電路設計簡潔。文章為其他嵌入式USB Host設備的開發(fā)提供了設計參考。