一種嵌入式USB MiniHost系統設計與實現

梁寶娟，孫少波

（1.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064；2.西安文理學院 計算機系，陜西 西安 710065）

在USB的拓撲機構中居于核心地位的是主機（Host），任何一次USB的數據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據交換。沒有了PC主機，這些設備是不能互聯的[1]。

1 USB系統模型和拓撲結構

最簡單的USB系統模型組成是以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據通信服務。此外，為了構建更復雜的USB系統，還需要加上USB集線器（Hub）[2]。

USB主機包括PC或嵌入式系統兩種類型，每一次USB數據通信都必須是由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[3-4]。本方案主要是基于嵌入式USB主機的USB系統模型。

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，構成了層次化的星形結構。USB的拓撲結構如圖1所示。

圖1 USB總線拓撲結構Fig.1 USB bus topological structure

2 硬件設計

2.1 電源電路

電源電路的組成如下：

系統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。電源系統結構如圖2所示。

圖2 電源部分電路系統結構圖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reset時，為了使與其連接的USB設備不進行誤操作，關閉 USB電源；總線電路異常而導致過流（over current）時，系統自動關閉電源并通知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）來減少對總線差模數據的干擾[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，對應的電路圖如圖4所示。

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

DB9插座和MAX232置于單獨的下載板上，利用8PIN插座和主板（SPP/USB轉換主板）來連接。異步串行接口下載程序時，各管腳設置如下所示：

2.4 Reset電路

在 MB90F337內部有上電復位（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。

圖5 上電復位電路Fig.5 Power on reset circuit

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；注冊回調函數；設備的枚舉，包括BUS Reset、SET ADDRESS請求以及設定控制端點的最大包的大小；SETUP請求操作；Bulk傳輸請求操作[7]。

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。

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。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）結束，向 EndPoint 結構體中寫入傳送完成的結果，并根據傳輸的類型做相應處理。

4）塊傳輸（BULK Transfer）結束，向 EndPoint結構體中寫入傳送完成的結果，并向并口上發(fā)送ACK BUSY信號。

4 并口到USB接口打印轉換器實現

4.1 打印轉換器功能描述

利用上述系統，設計一個能夠把并口轉換為USB接口的打印轉換器，這個轉換器只是把從并口收到的數據轉發(fā)到USB接口上，然后根據USB接口規(guī)范，把數據重新包裝后發(fā)送給USB打印機，轉換器中并不需要對并口的數據內容進行解釋，只是轉發(fā)。

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

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

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

4.2 并口打印機數據傳輸過程

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議，通過該協議PC和外設之間的雙向數據傳輸率可以比以前提高20到50倍，同時該協議保持了軟件的向下兼容性。IEEE1284標準一共定義了5種數據傳輸模式，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位數據線，5位打印機狀態(tài)線，4位控制線。

4.3 USB接口打印機數據傳輸過程

打印設備它們能夠把頁面描述語言（PDL）轉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格式的數據，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)送這些數據到打印機，并用一個Bulk IN端點來發(fā)送狀態(tài)信息或其他數據。 對于現已存在的方式來說，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據，諸如一些字體定義等信息。 如果打印機實現了這個功能，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據[8]。

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打印數據只支持單方向（數據：PC→轉換器）。

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控制傳送的數據最大值為64字節(jié)。

⑤批量（Bulk）傳送的數據最大值為64字節(jié)。

⑥不處理USB Hub。

3）內部功能

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，接收到的數據由USB接口傳送給打印機。

4.5 并口模塊

負責和并口相關的工作。從并口讀取數據放入數據緩沖區(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，包括Parallel Module，MiniHost Module以及整個系統的變量。編寫一個回調函數，此函數在設備狀態(tài)（連接或斷開）改變時調用。在檢測到設備連接后，調用 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 結束語

本論文設計了一種嵌入式USB主機系統，并完成了該系統的硬件和固件的實現和調試。為了驗證系統，實現了打印機IEEE 1284中的SPP模式協議到USB打印設備類協議轉換器。在硬件設計中，系統采用富士通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。

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DONG Hai-tao，XIE Jing-ming，CHEN Bing，et al.Realization of USB-Host drive in CNC system based on ARM9[J].Instrument Technique and Sensor，2011（7）：44-46.

[4]何蘇勤，黃翠翠.基于USB2.0的異步數據傳輸和控制接口的設計[J].國外電子測量技術，2010，29（3）：79-83.

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[7]Michael Bar.C/C++嵌入式系統編程[M].于志宏，譯.北京：中國水利出版社，2001.

[8]Universal Serial Bus Specification Revision 2.0[EB/OL].（2012-02-01）http：//www.usb.org