基于LM3S316的微控制器仿真USB设备
2009-07-15
作者：胡晓宏
摘 要：提出了基于LM3S316实现与PC机通讯的方法。给出了硬件实现及软件设计思想。该方法使用微控制器仿真USB设备，降低了功耗、成本。
关键词：LM3S316；USB；PC机
USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，为计算机和外设间的数据通信提供了一个很好的解决方案, 具有传输速度快、连接灵活、使用方便等特点。作为一种高速的新型总线接口，USB支持即插即用设备，并能为外设提供电源且易于扩展。因此，可广泛应用于打印机、扫描仪、大容量外部数据存储器、数码相机和高速数据采集等多种设备中。现在市场上USB设备多是由专门的USB控制芯片来实现其应用控制，芯片内集成了USB协议，成本较高。本文提出用LM3S316微处器来实现其与PC机通讯的方法，以实现仿真USB，从而降低成本。
1 通用串行总线USB的底层结构
1.1 USB设备
USB设备可以接在PC上任意的USB接口，其物理接口的结构如图1(a)所示。使用HUB还可以实现USB的扩展，使更多的USB设备连接到系统中。USB的HUB上有一个上行的端口(连到Host)，有多个下行端口用来连接到其他设备。Host和USB设备之间的关系如图1(b)所示。
1.2 USB的物理信号
USB的电缆共有4根线，两边突出的为+5 V的电源线，另外2根是数据线。如图2所示，VBUS是设备供电接线，电压+5 V，最大供电电流500 mA，向设备提供电源。具有过流保护、供电控制等功能。
当USB设备插入接口时电源线先接通然后再接通数据线，拔出时先断开数据线再断开电源线，这正是USB设备可热拔插的原因之一。USB总线可以在不使用时挂起，节约能源。
1.3 USB版本
常规USB通讯协议有USB1.1、USB2.0。USB1.1版本的USB设备，支持全速12 Mb/s低速通讯(1.5 Mb/s)；USB2.0版本的USB设备，支持高速通讯(480 Mb/s)。由于USB2.0的通讯速率太高，必须由单独芯片控制，所以芯片仿真无法实现。
1.4 通讯建立
串口通讯另一个标准RS232的通讯发起方可以从两端发起，而USB通讯发起方总是在主机端(HOST)，设备端总是响应主机端的通讯请求。主机端如果是PC机，每隔1ms发起一次对一个设备的通讯建立请求，设备接收到访问己方请求后，立即与主机建议起通讯连接。
1.5 电气特性
“D-是低速信号总线，D+是高速信号总线”的说法是不准确的，因为USB信号总线是平衡差分式的，这点类似于485总线。所谓“D-是低速信号总线”是指对于低速设备(如鼠标、键盘) 时，D-这条线在USB设备端加1.5 kΩ上拉电阻。反之对于全速设备(如U盘、打印机、扫描仪)，D+信号线加1.5 kΩ上拉电阻。
1.6 NRZI编码及位填充
由于USB总线没有同步时钟信号线，想要主机与设备建立良好通讯同步效果，只有从数据序列中提取同步时钟。类似RS232串口通讯，USB通讯的建立也有起始信息，RS232是一个起始位，而USB起始位有8位，称之为同步域(或段)格式为01010100。由于RS232的通讯速率较低，所以两端同步时钟不大于5%即可实现良好通讯。然而USB通讯最低速率也大于1 Mb/s，对于时钟的同步要求严格得多，况且USB的数据包中的每个字节不象RS232每个字节都有起始位(仅在包头有同步域)。鉴此，USB通讯时必须在数据包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果数据包序列中数据位全是逻辑“1”或者全是逻辑“0”，芯片是无法提取同步信息的，为此需要一个高效的编码方案，于是就有了NRZI和位填充概念。何谓NRZI，如图3所示，NRZI是非“1”跳变。
对于NRZI编码方式会遇到一个严重的问题，即若一长串连续的“1”将会导致无电平跳变，逐渐地累积，以致引起机收起，最终丢失同步信号，使得读取的时序发生严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填充(bit-stuffing)工作。连续地传输6个“1”位，强制在NRZI编码的数据流中加入跳变。这就确保接收器至少可以在每7 bit的时间间隔内检测到一次跳变，使接收器和传送的数据保持同步。图4说明了位填充的工作方式。
1.7 USB通讯模式
4种传输方式:控制(control)、同步(isochronous)、中断(interrupt)、大量(bulk)。
其中中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，这种传输方式的典型应用在少量的、分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的，并且对于host来说只有输入的方式。
1.8 包的概念
一个最小的USB数据块叫做包(packet)，它包括同步信号、包标识(packet ID)、CRC和传送的数据。
1.9 端点
端点也可称为设备终端，每个USB设备(USB芯片)内可以有1～16个端点。相对USB芯片而言，各端点在通讯中功能传输的数据包的大小和传输模式有所不同，在芯片内数据缓冲区的地址也有所变化。
2 LM3S316控制器
Luminary Micro StellarisTM系列的微控制器是首款基于ARM CortexTM-M3的控制器，它将高性能的32位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。这些堪称先锋的器件拥有与8位和16位器件相同的价格，却能为用户提供32位器件的性能，而且所有器件都以小型封装形式提供。
Stellaris系列的LM3S316微控制器拥有ARM微控制器所具有的众多优点，如拥有广泛使用的开发工具、片上系统(SoC)的底层结构IP的应用，以及众多的用户群体。此外，控制器还采用了ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集来降低内存需求量，进而降低成本。 与早期的ARM7相比较，功耗更低、中断延时更小、代码执行速度更快、价格更低。
LM3S316微控制器具有如下特性：
(1) 32位RISC性能；
(2) 内部16 KB单周期Flash存储器，4 KB单周期SRAM；
(3) 3个通用定时器；
(4) 同步串行接口(SCI)；
(5) 串行UART接口；
(6) 3个独立的模拟比较器；
(7) PWM；
(8) 3～36个可配置的GPIO，每个GPIO都可配置边沿或电平触发中断；
(9) 48脚LQFP封装。
3 实现原理
由于LM3S316控制器每个GPIO都可配置为中断引脚，所以在这个应用中只需要用2个同Port的相邻引脚仿真USB的D+和D-，如图5所示。
4 软件设计
USB总线属一种轮讯方式的总线,主机控制端口初始化所有的数据传输。
每一总线执行动作最多传送3个数据包。按照传输前制定好的原则,在每次传送开始时,主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包,这个数据包通常称为标志包(token packet)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时,由标志包来标志数据的传输方向,然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的USB数据传输,在主机和设备的端口之间,可视为一个通道。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制,从而在硬件级上防止了对缓冲区的高估或低估,通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认信号发过后,若总线有空闲,数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任务安排,可使不同性质的流通道同时正常工作,这样多种流通常可在不同间隔进行工作,传送不同大小的数据包。
LM3S316芯片利用2个GPIO的中断监控USB总线，当USB总线从空闲状态变为传输状态，也就是总线由主机发起与同步域(SYN)，LM3S316进入USB接收程序。略过同步阶段，收到的第一个字节是PID字段(包标识类型)。这字段的低4位描述此包类型方向(IN或OUT)，接下来7位表示设备的地址，然后是4位端点号索引。LM3S316根据设备地址判定主机向本设备发起的请求，如果是则根据包的类型决定继续接收数据或向主机发送数据。对OUT类型数据的后5～16位是CRC校验(根据配置决定CRC的位数)。对IN类型，LM3S316将准备好数据连同CRC校验数据一同发往主机。数据传输阶段完成后，主机或设备要发回ACK响应，确认传输成功。
使用LM3S316控制器仿真USB设备的方法，极大地方便了用户的开发，同时降低了功耗、成本。本方法在USB读卡器、USB编程器、USB接口转RS232等方面具有良好的应用前景。
参考文献
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[3] 郭佑民，王杰，孙启国. 基于嵌入式微处理器S3C44B0X的USB通信[J]．微计算机信息，2008(1-2)：21-23.
[4] 肖踞雄.USB系统结构与应用设计[OL].论文天下论文网，http：//www.lunwentianxia.am/product.free.6096001.2007.11.