基于TTL串口的嵌入式USB主机系统的设计

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基于TTL串口的嵌入式USB主机系统的设计 [复制链接]

1 引言　　随着移动存储业的发展及数码产品的普及，数据采集系统、工控行业和嵌入式用户对移动存储的需求越来越大，也对数据移动存储盘提出了更高的应用要求，包括到地矿数据采集行业用户、水文系统数据采集行业用户、仪器仪表制造行业用户、铁路、长途汽运等交通系统数据采集用户、油田数据采集系统用户、单板系统的软件升级用户、纺织系统数据采集用户、银行等。但由于之前多数数据采集设备、工控机及嵌入式系统不具备USB数据输入输出标准接口，所以在USB数据存储方面一直得不到很好的普及。业界和用户的需求使得嵌入式ＵＳＢ主机的研究成为ＵＳＢ研究领域的一个新的方向。 　　本文介绍了一种基于TTL串口的ＵＳＢ主机系统，通过TTL串口（或并口）转接出USB接口，系统原理图如图1所示。嵌入式设备需要通过TTL串口，按照ＵＳＢ主机系统的串口通信协议与ＵＳＢ主机系统进行数据传输和通信，主机系统负责优盘的检测和数据的存储。本文详细介绍了该系统的设计思路，并给出了硬件设计和USB 主机的底层驱动软件的设计方法。

　　2 USB主机工作原理 　　对于我们设计嵌入式USB主机，可以参照PC上的USB主机。对于PC上的USB主机，其硬件方面由一个USB主机接口芯片控制，这个接口芯片在通过PCI总线与PC机通讯，其余还有电源管理部分；软件方面主要有三部分：USB接口驱动程序，负责CPU与USB主机接口芯片的通讯，负责底层USB包的接收和发送；USB协议栈驱动程序，负责解析设备驱动程序对USB的各种操作命令，并在解码后发给底层驱动程序；设备驱动程序，也就是上层的应用程序，包括操作系统提供给用户的API,以及用户自定义的对USB设备的操作，比如发送设备特有的USB命令请求。PC上的USB主机端软件结构图如图2所示。

　　3．系统结构 　　整个系统的核心芯片选用Motorola公司的DSP56f803和TDI公司的USB HOST控制器UHC124。整个系统由DSP56f803模块、UHC124模块、UART串口模块。 3．1 DSP56f803模块 　　系统的核心控制器，包括基本硬件和编写的固件。实现的功能包括：实现与UHC124的物理连接和通讯，并且配置UHC124的控制寄存器；配置USB外设，实现USB通信，实现USB Host要求的各项配置和数据传输的要求，接受USB Host的命令来管理USB外设；实现FAT16文件系统。 　　3．2 UHC124模块 　　USB HOST控制器的硬件部分。实现USB Host的接口，配置下行USB设备，管理USB总线电源。实现的功能包括：实现各种USB Host动作，协调内容各项功能，与外围主控制器通讯；存放传输的USB数据，设置USB传输特性；与作为主控制器的DSP56f803接口连接；管理USB电源，连接下行USB设备，总共带有4个下行USB设备端口。 　　3．3 UART串口模块 　　与用户通过串口进行协议通讯的固件部分。实现自定义的串口通讯协议，即根据自定义的串口通讯协议，解析串口通讯数据包，调用相应的文件操作接口函数，实现客户的文件操作命令。 　　4．硬件设计 　　4．1硬件架构 　　硬件主要模块包括USB HOST、主控芯片、外部SRAM、译码指示和电源部分。主控芯片和USB HOST芯片连接，控制USB HOST芯片与移动存储盘通讯。考虑到需要给用户预留数据Buffer,所以外扩SRAM。因为芯片工作电源不同，所以要提供两组直流电源,译码指示电路采用3个LED指示灯，一个电源指示，一个指示移动存储盘的接入，另一个指示了工控机与移动存储盘通讯工作中。

　　4．2 USB主控芯片的选型 　　对于主控芯片的选型应该会有多种选择，只要带有UART接口,程序存储空间足够，程序的执行效率可以满足系统的功能需求即可。对于USB主控芯片，目前市面上出现的主要有3种：Sypress公司的SL811、 　　Philips公司的ISP1161和TDI公司的UHC124。其中，SL811较为常见，笔者也曾用过此芯片进行过第一代产品的开发，综合各方面的选型因素考虑，第二代产品选用了UHC124。 　　UHC124与其他两款芯片的主优势在于：支持包传送，最多可一次性传送16个USB 协议交互数据，而不会向CPU产生中断，而SL811是每次都会产生中断，大大占用了CPU的资源；支持所有的USB传输类型，包括控制传输、块传输、中断传输和同步传输，且数据包最大可达到1023字节；具有2K的数据存储区。

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4．3主控芯片与USB HOST相连的接口电路　　UHC124支持两种存储器访问模式，取决于MODE引脚的电平高低。如果主控芯片没有外部总线，需 　　采用模式0；如果主控芯片有独立或复用的数据地址总线，采用模式1。本方案所选的主控芯片DSP56f803 　　具有独立的地址数据总线，因此采用UHC124的工作模式1。接口电路如下图4所示：

　　5．软件设计 　　USB 主机软件的设计我们可以参照PC的USB 主机来设计。本方案的简要软件流程图如图5所示。

　　5．1 USB接口驱动程序 　　主要实现主控芯片DSP56f803与USB主机接口芯片UHC124的通讯，以及底层USB包的接收和发送， 　　是实现整个USB体系的基础。包括如下几个函数： 　　void ReadLengthFromHost(UCHAR ucaddr,UCHAR uclength,UCHAR *pucdata); 　　void WriteLengthToHost(UCHAR *pucdata,UCHAR uclength,UCHAR ucaddr); 　　UCHAR OutBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr); 　　UCH AR InBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr); 5．2 USB协议栈驱动程序 　　主要实现USB协议定义的标准命令请求，主要包括： 　　ClearFeature(),GetConfiguration(),GetDescriptor(),GetInmterface(),GetStatus(),SetAddress(),SetConfiguration(),SetDescriptor(),SetFeature(),SetInterface()。 　　具体的标准设备请求的含义请参考USB 标准协议。USB 主机要在检测到有USB设备插入时，完成对USB设备的枚举，之后USB主机和USB设备才可以进入正常的数据包通讯状态。 　　5．3 USB设备类驱动程序 　　移动存储盘属于USB协议所定义的设备类中的Mass storage类，USB 组织定义了海量存储设备类（Mass Storage Class）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即： 　　1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 　　2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport 　　3. USB MassStorage Class ATA Command Block 　　4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。 　　前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB 上的传输方法。Bulk- Only 传输规范仅仅使用Bulk 端点传送数据/命令/状态，CBI 传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ATA 命令规范用于硬盘，UFI 命令规范是针对USB 移动存储。因此USB主机需要遵循Mass Storage 协议来组织数据和发送命令，即可实现与移动存储盘交换数据。 　　6．结束语 　　嵌入式USB主机的开发，目前在国外也处于刚刚起步的阶段，可以提供的USB HOST接口芯片的并不多。作为USB总线研究的另一热点，嵌入式USB HOST的研究具有一定的先进性和前瞻性。以嵌入式USB 主机为核心的数据采集系统，可以在工业和民用两个领域得到广泛的应用，可以带来可观的经济效益和市场前景。