目前嵌入式系統在數字化電子產品領域應用越來越廣泛。隨著其成本的降低，大有取代單片機的趨勢。USB 設備以其小巧、便攜、即插即用、成本低廉等優勢在當前的桌面應用中有相當的比重，尤其是HID（人機接口）設備，其免驅的特點（不用安裝驅動程序）更是給用戶帶來極大方便。現在市場上USB 設備多是由專門的USB 控制芯片來實現其應用控制，芯片內集成了USB 協議，成本較高。PCB 板的面積較大。本文提出了僅用一片MCU（微處器－單片機）或嵌入式系統芯片來實現其與PC 機的通訊的方法。就單片機而言，多數單片機速度較慢，對事件的響應能力較弱，對全速USB 應用不是很好的選擇。而嵌入式系統，由于其速度較之單片機快很多，內部RAM 容量較大，用其來仿真USB 設備是個理想的策略。

本文將以LM310 嵌入式芯片仿真USB（HID）鍵盤為例，研究其仿真USB 的方法。

1 USB 協議規范

1.1 總線定義：

USB 又稱通用串地總線，共有四條線，如圖1 所示，VBUS 是設備供電接線，電壓＋5V，最大供電電流500mA，向設備提供電源。具有過流保護、供電控制等功能。D－低速信號線；D＋全速信號線；GND 電源地。

1.2 USB 版本

常規USB 通訊協議有USB1.1、USB2.0。USB1.1 版本的USB 設備，支持全速12Mb/S 低速通訊（1.5Mb/S）；USB2.0 版本的USB 設備，支持高速通訊（480Mb/S）。由于USB2.0 的通訊速率太高，所以用芯片仿真無法實現（必須由單獨芯片控制）。

1.3 總線長度

USB1.1 版本的設備總線長度不大于5 米，通過集線器或中繼器，可達到30 米95 個中斷器或集線器）。U2.0 設備總線長度不大于3 米。

1.4 通訊建立

串口通訊另一個標準RS232 的通訊發起方可以從兩端發起，而USB 通訊發起方總是在主機端（HOST），設備端總是響應主機端的通訊請求。主機端如果是PC 機，每隔1ms 發起一次對一個設備的通訊建立請求，設備接收到訪問己方請求后，立即與主機建議起通訊連接。

1.5 電氣特性

對于“D-是低帶信號總線，D+是高速信號總線是高速總線”的說法是不準確的，因為USB 信號總線是平衡差分式的，這點類似于485 總線。所謂“在-是低速信號總線”是指當US 陽低速設備（如鼠標、鍵盤） 時，D-這條線在USB 設備端加1.5K 上拉電阻。反之對于全速設備（如U 盤、打印機、掃描儀），D+信號線加1.5K 上拉電阻。

關于D+、D-信號線上的電壓淺談一下，類似于485 總線，當485 總線的A 相電壓大，B相電壓200mV 時，差分放大器輸出邏輯“1”，反之“0”，USB 總線在低速設備端D-電壓如大于2.0V，D+電壓小于0.8V 為邏輯“1”反之為“0”，在主機端，一根為大于2.8V，另一根小于0.3 發，在此主機端不做深入探究。

1.6 NRZI 編碼及位填充

由于USB 總線沒有同步時鐘信號線，想要主機與設備建立良好通訊同步效果，只有從數據序列中提取同步時鐘。類似RS232 串口通訊，USB 通訊的建立也有起始信息，RS232 是一個起始位，而USB 起始位也有8 位，稱之為同步域（或段）格式為01010100。由于RS232 的通訊速率較低，所以兩端同步時鐘不大于5%即可實現良好通訊。然而USB 通訊最低速率也大于1Mb/S，對于時鐘的同步要求嚴格的多，況且USB 的數據包中的每個字節不象RS232 每個字節都有起始位（僅在包頭有同步域）。鑒此，USB 通訊時必須在數據包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果數據包序列中數據位全是邏輯“1”或者全是邏輯“0”，芯片是無法提取同步信息的，為此需要一個高效的編碼方案，于是就有了NRZI 和位填充概念。何謂NRZI，看圖2 所示，NRZI 是非“1”跳變。由圖可知問題只解決一半，USB 規范約定當序列1 1中連續出現6 個邏輯“1”時加進一位“0”，如此問題全部解決，只不過是需要在接收后除去加進的一個位“0”，加進一位“0”的過程就是位填充。

1.7 USB 通訊模式

共四種模式：控制傳輸、等時傳輸、中斷傳輸、批量傳輸。

1.8 端點

端點也可稱為設備終端，每個USB 設備（USB 芯片）內可以有1—16 個端點，相對USB 芯片而言，各端點在通訊*能傳輸的數據包的大小和傳輸模式有所不同。在芯片內數據緩沖區的地址也有所變化。

2 嵌入式芯片（LM3S310）

Stellaris 系列微控制器（包括L3 同S310）是以ARM CortexTM-M3 為內核設計的。與早期的ARM7 相比較有功耗更低、中斷延時更小、代碼執行速度更快、價格更低等優勢。

3 實現原理

由于LM3S310 控制器每個GPIO 都可配置為中斷引腳，所以在這個應用中只需要用兩個同Port 的兩個相鄰引腳仿真USB 的D+和D-，圖3 所示。

4 軟件設計

圖4 是一個簡化程序流程圖，實際編程中還有很多細節，在此不再羅列。下面以中斷傳輸為例，將一個事務不同階段思想重點研討。

LM3S310 芯片利用兩個GPIO（USB）的中斷監控USB 總線，當USB 總線從空閑狀態變為傳輸狀態，也就是總線由主機發起與同步域（SYN），LM3S310 進入USB 接收程序。略過同步階段，收到的第一個字節是PID 字段（包標識類型）。這字段的低四位描述此包類型方向（IN 或OUT），接下來7 位表示設備的地址，然后是四位端點號索引。LM3S310 根據設備地址判定主機向本設備發起的請求，如果是則根據包的類型決定繼續接收數據或向主機發送數據。對OUT 類型數據的后5—16 位是CRC 校驗（根據配置決定CRC 的位數）。對IN 類型，LM3S310將準備好數據連同RC 校驗數據一同發往主機。數據傳輸階段完成后，主機或設備要確認傳輸成功。

對于低速設備的仿真，LM3S310 芯片的速度足以滿足要求（包括一些速度較快單片機，如：PIC、EMP、MSP），然而對全速設備的仿真，須要選擇速度更快嵌入式芯片，軟件實現的原理方法基本相同。

5 結論

使用微控制器仿真USB 設備的方法，極大地方便了用戶的開發，同時降低了功耗、成本。本文作者創新點在于利用MCU或嵌入式控制器實現USB設備功能。本方法在USB 讀卡器、USB 編程器、USB 接口轉RS232 及RS485 接口等方面有良好的應用前景。

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