嵌入式系统应用中的USB主设备功能分析

嵌入式系统应用中的USB主设备功能分析

 USB已经成为设备和PC之间通信的标准方式，从通用设备（如闪存设备和鼠标）到专用设备，该标准几乎完全替代了其他的串行通信协议。

    USB外围设备彼此之间不能相互通信，它们只能与具有控制总线能力的USB主设备通信。直到最近，也只有PC具有主设备能力。但目前，许多微控制器也具有了嵌入式USB主设备的功能，这使得嵌入式应用可以连接更加广泛的USB外围设备。

    USB闪存驱动器是一种使用非常广泛的USB外围设备，它已经成为传递或存储大量数据的廉价介质，许多数据记录设备正是得益于它才得以发展。对于远程的长期数据记录，可以先采集，并存储在闪存驱动器中，然后带回到方便分析处理的地方。

    闪存驱动器也可以用于向PC中传输高速时间相关数据。PC是极好的数据分析工具，但实时能力有限。相反，嵌入式应用特别适合实时数据采集，但数据分析能力通常很弱。嵌入式实时数据记录仪可以在闪存驱动器上存储数据，然后把数据传输到PC上分析，这样二者的优势都得到了充分的发挥。

    嵌入式USB主设备的应用

    开始嵌入式设计的首要任务之一是选择微控制器。为了使用闪存驱动器，微控制器就必须具有嵌入式USB主设备的能力。如果微控制器具有USB OTG（On-The-Go）或USB双角色（Dual Role）功能，如Microchip公司的PIC24FJ256GB1微控制器，如图1所示，它也可以支持嵌入式USB主设备功能。USB外围设备，有时也称为USB设备模式，只能用作闪存驱动器等，而不能和其他USB外围设备通信。

    其次，设计者应该确信能有完整的开发工具。至少也需要一个器件编程器（如果有一个调试器是最好的）和一个C语言编译器，因为嵌入式USB主设备和运行在微控制器中的程序往往是用C语言而不是用汇编语言编写的。

    最后，设计者也应该了解哪些软件库是可以获得的，因为嵌入式设备发现闪存驱动器时的握手操作需要USB设备类、FAT32文件系统和其他库的支持。从头开始设计支持嵌入式USB主设备的工作会需要数月的时间，而一个由经过认证的协议栈组成的方案可以节省相当多的时间。

    为了使用闪存驱动器，嵌入式设备也需要一种USB海量存储类（Mass Storage Class）设备的终端驱动程序、硬件命令行接口，以及文件系统接口。通常，具有2Gb或更低存储空间的闪存驱动器使用FAT16文件系统，而更大容量的闪存驱动器将使用FAT32文件系统。

    设计要求

    一旦选定了微控制器，硬件设计就开始了。USB硬件设计需要遵循以下许多规则。

    ● 如果嵌入式主设备需要支持USB设备类，它对外围的供电就必须能够提供500mA的电流。

    ● 如果嵌入式主设备需要支持任何消耗电流超过100mA的设备，它也必须能够提供500mA的电流。

    ● 如果嵌入式主设备需支持消耗电流100mA或更低的设备，那么VBUS电压限制就可以降低到4.4V。然而，如果嵌入式主设备需支持消耗电流超过100mA的设备，那么VBUS电压限制是 4.75V，就和全功能主设备一样。

    ● 必须重新设计无须用户干预就可复位的过流保护机制。

    ● 从USB连接器到收发器之间的传输延迟必须在8ns之内。

    ● 嵌入式USB主设备在VBUS上的电容必须大于120μF，而且USB OTG设备在VBUS上的电容必须为1.0?6.8μF。

    除以上规则外，也必须仔细考虑采用嵌入式USB主设备应用的用户接口。USB外围设备通常用在PC上，万一发生错误就可以提供详细的错误信息。如果LED指示灯闪烁，用户能够知道连接失败了。USB规范也作了强制性的规定，经过认证的USB嵌入式主设备必须提供错误信息。换句话说，所有错误信息必须被明确地通知应用层，也就是告知用户。

    USB设备认证

    USB认证主要用于保证USB设备符合USB规范的要求。认证可以在各种独立的测试机构进行。一旦产品通过认证，生产商就被允许使用USB标志，但同样需要遵守额外的许可证限制。

    产品也可以不通过USB认证而直接进行生产和销售。没有USB认证，生产商可以声明自己的产品支持USB，但他不能在设备或包装上的任何地方使用USB标志。通常，取得USB嵌入式主设备认证是不太难的。

    通过USB通信

    实现USB嵌入式主设备的一个最大挑战就是要和各种各样的USB外围设备通信。虽然不是所有的闪存驱动器产品都通过了认证，但是如果在嵌入式设备中一种闪存驱动器可以正常使用，而另一种没有任何原因就不能使用时，用户是不会高兴的。

    如果闪存驱动器需要的上电时间是允许最大时间的两倍或一半，或由于主机以最大允许的速率轮询时闪存驱动器被锁住，以及因为闪存驱动器需要一种不同的SCSI命令序列来建立通信等，这都不会有任何问题。但如果这样的闪存驱动器在主设备上不能运行，在PC上却可以正常使用，用户会批*这一主设备。因此，确保进行广泛的测试，与多种没有进行认证的USB外围设备进行通信，即使它只是一个拇指大的闪存驱动器或一根电缆。

    虽然嵌入式USB主设备可以提供USB类级的支持，在进行设计和测试时，也应该考虑对特殊USB外围设备支持的限制，通过对VID（供应商ID）和PID（产品ID）的识别来保证产品能在设计的应用领域正常使用。这个ID列表是指USB执行者论坛所发布的目标外围设备列表（TPL），它是为了获得嵌入式主设备认证所必须服从的检查项目列表。完整的OTG认证实际上仅需要与TPL列表中的VID/PID标志的产品互操作。