USB和SD接口復用設計

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。在實際使用中，一般不會同時進行USB和SD通信，如果能夠將USB接口和SD接口的引腳復用起來，節省2個引腳，那么用8pin封裝的主控來實現便攜小音箱功能，將會是一個非常有價值的解決方案。

【關鍵詞】USB;SD卡;分時復用;插入檢測

1.引言

隨著電子技術的發展，應用需求的迅速膨脹，終端芯片的集成功能越來越多，導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，生產商對封裝成本和應用成本的控制是越來越嚴格，這就要求減少封裝引腳數目。顯然人們的需求和成本是矛盾的。

在消費電子領域，便攜小音箱因為體積小、音效好、功能全、使用方便等特點，廣受消費者的歡迎。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AUX輸入引腳、3個SD卡接口引腳、2個USB接口引腳、1個DAC輸出引腳、1個按鍵檢測引腳，2個電源引腳，共10個引腳。常見的16pin封裝對這種功能需求，顯得冗余。為了節省主控芯片成本，去選擇8pin封裝時候，又無法完全實現便攜小音箱的功能需求。

當前消費電子產品的USB接口和SD接口與MCU的連接關系如圖1所示。

圖1 現有USB/SD接口結構示意圖

便攜小音箱在實際使用中，一般不會同時進行USB和SD通信，如果能夠將USB接口和SD接口的引腳復用起來，節省2個引腳，那么用8pin封裝的主控來實現便攜小音箱功能，將會是一個非常有價值的解決方案。

2.USB和SD接口復用硬件電路

如圖2所示，本文以便攜小音箱的應用方案為例，描述一種USB和SD接口復用電路設計，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，定時器，電平檢測模塊，通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC和IOD，復用控制模塊;USB接口包括第一數據引腳USB_DM和第二數據引腳USB_DP;SD接口包括命令引腳SD_CMD、時鐘引腳SD_CLK、數據引腳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兩個引腳連接。

復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的連接關系;SD模塊通過復用控制模塊，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接口復用軟件控制流程

為了實現USB和SD接口復用方法，MCU軟件需要設置6個USB接口狀態，6個SD接口狀態和3個工作流程。接口狀態如圖3所示。

6個USB接口狀態：USB離線狀態、USB在線狀態、USB掛起狀態、USB激活狀態、USB空閑狀態、USB通信狀態。USB離線狀態和USB在線狀態同一時間只有一個狀態有效，USB在線狀態為USB掛起狀態和USB激活狀態的前提條件。USB掛起狀態和USB激活狀態同一時間最多只有一個狀態有效，USB激活狀態為USB空閑狀態和USB通信狀態的前提條件。USB空閑狀態和USB通信狀態同一時間最多只有一個狀態有效。

圖3 USB/SD 工作狀態示意圖

6個SD接口狀態：SD離線狀態、SD在線狀態、SD掛起狀態、SD激活狀態、SD空閑狀態、SD通信狀態。SD離線狀態和USB在線狀態同一時間只有一個狀態有效，SD在線狀態為SD掛起狀態和SD激活狀態的前提條件。SD掛起狀態和SD激活狀態同一時間最多只有一個狀態有效，SD激活狀態為SD空閑狀態和SD通信狀態的前提條件。SD空閑狀態和SD通信狀態同一時間最多只有一個狀態有效。

USB激活狀態和SD激活狀態同一時間最多只有一個狀態有效。

利用CPU，SD模塊，USB模塊，定時器，電平檢測模塊，通用輸入輸出引腳IOA、IOB、IOC和IOD，復用控制模塊等硬件結構，配合軟件操作流程，實現USB和SD接口檢測切換流程。

下面舉例說明具體實現檢測切換的過程及步驟。

假設通電開機時，沒有插入SD卡和U盤，開機后先插入SD卡播放，再插入U盤播放。

開機后，USB接口和SD接口均處于離線狀態。軟件設置使能定時器每50ms產生一次中斷。CPU進入定時中斷子程序后，按既定流程檢測USB接口和SD接口的連接情況。根據檢測的結果，設置USB接口和SD接口的狀態。

插入SD卡后，定時器產生定時中斷，CPU執行如下檢測和設置步驟：（1）流程a檢測“USB是否處于通信狀態”。USB不在通信狀態，進入流程b;（2）流程b檢測“SD是否處于通信狀態”。SD卡不在通信狀態，進入流程c;（3）流程c檢測“USB是否處于空閑狀態”。USB不在空閑狀態，進入流程d;（4）流程d檢測“SD是否處于空閑狀態”。SD不在空閑狀態，進入流程e;（5）流程e檢測“SD是否處于掛起狀態”。SD不在掛起狀態，進入流程o;（6）流程o檢測“SD是否在線”。此時已經插入SD卡，SD卡在線，進入流程p;（7）流程p里面，CPU配置復用控制模塊，建立SD模塊和IOA、IOB、IOC的連接。設置SD接口為激活狀態，進入流程s;（8）退出中斷子程序后，根據音箱系統的需要，進行SD通信。

此后，再插入U盤。定時器產生定時中斷，CPU執行如下檢測和設置步驟：（1）流程a檢測“USB是否處于通信狀態”，USB不在通信狀態，進入流程b;（2）流程b檢測“SD是否處于通信狀態”，如果SD卡處于通信狀態，則退出中斷子程序，等待定時器再次中斷，如果SD卡不處于通信狀態，因為SD接口已經被激活，則必然處于空閑狀態，進入流程c;（3）流程c檢測“USB是否處于空閑狀態”，USB不在空閑狀態，進入流程d;（4）流程d檢測“SD是否處于空閑狀態”，SD接口處于空閑狀態，進入流程k;（5）流程k檢測“USB是否處于掛起狀態”，USB不在掛起狀態，進入流程l;（6）流程l里面，為了避免USB檢測動作影響SD模塊和SD卡，將SD設置為掛起狀態，再檢測“USB是否在線”，此時U盤已經插入在線，進入流程m;（7）流程m將USB設置為激活狀態后，進入流程s;（8）退出中斷子程序后，根據音箱系統的需要，進行USB通信。

對于先插入U盤，再插入SD卡的情況，可以參考上述過程，實現在線檢測和狀態設置。

如果SD接口正處于激活狀態，SD卡也仍然連接在線，系統需要進行SD通信時，CPU執行如下步驟：（1）流程a檢測SD卡是否在線。因為SD沒有被拔出，進入流程b;（2）流程b里面，將SD接口設置為通信狀態。然后進入流程c，開始SD通信;（3）SD通信結束后，進入流程d;（4）流程d將SD接口設置為空閑狀態后，進入流程f，退出SD通信流程。

如果USB接口正處于激活狀態，但U盤已經被拔出。當系統嘗試再進行USB通信時，CPU執行如下步驟：（1）流程a檢測USB盤是否在線，因為U盤已經被拔出離線，進入流程e;（2）流程e將USB接口設置為離線狀態后，進入流程f，退出USB通信流程。

結合上述硬件電路和軟件流程，即可實現USB接口和SD卡接口的分時復用功能。

4.總結

本文所述的USB和SD接口復用電路，通過配置MCU主控芯片內復用控制模塊控制設定和通用輸入輸出接口狀態，配合軟件的處理流程，分時復用IOA、IOB、IOC、IOD引腳，進行USB通信或SD通信。SD設備和USB設備插拔動作和連線狀態，都不會干擾當前正在使用的USB設備或者SD設備。與現有設計相比，在不影響MCU主控芯片應用功能的同時減少了引腳數量需求，降低產品的生產成本。

參考文獻

[1]單片機接口技術.

[2]SD Specifications Part 1 Physical Layer Specification Revision3.01.

[3]Universal Serial Bus Specification Revision 2.0.

[4]USB開發大全（第4版）.

[5]新概念51單片機C語言教程.