USB已經(jīng)成為設(shè)備和PC之間通信的標(biāo)準(zhǔn)方式,從通用設(shè)備(如閃存設(shè)備和鼠標(biāo))到專(zhuān)用設(shè)備,該標(biāo)準(zhǔn)幾乎完全替代了其他的串行通信協(xié)議。
USB外圍設(shè)備彼此之間不能相互通信,它們只能與具有控制總線能力的USB主設(shè)備通信。直到最近,也只有PC具有主設(shè)備能力。但目前,許多微控制器也具有了嵌入式USB主設(shè)備的功能,這使得嵌入式應(yīng)用可以連接更加廣泛的USB外圍設(shè)備。
USB閃存驅(qū)動(dòng)器是一種使用非常廣泛的USB外圍設(shè)備,它已經(jīng)成為傳遞或存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的廉價(jià)介質(zhì),許多數(shù)據(jù)記錄設(shè)備正是得益于它才得以發(fā)展。對(duì)于遠(yuǎn)程的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)記錄,可以先采集,并存儲(chǔ)在閃存驅(qū)動(dòng)器中,然后帶回到方便分析處理的地方。
閃存驅(qū)動(dòng)器也可以用于向PC中傳輸高速時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)。PC是極好的數(shù)據(jù)分析工具,但實(shí)時(shí)能力有限。相反,嵌入式應(yīng)用特別適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,但數(shù)據(jù)分析能力通常很弱。嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀可以在閃存驅(qū)動(dòng)器上存儲(chǔ)數(shù)據(jù),然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上分析,這樣二者的優(yōu)勢(shì)都得到了充分的發(fā)揮。
嵌入式USB主設(shè)備的應(yīng)用
開(kāi)始嵌入式設(shè)計(jì)的首要任務(wù)之一是選擇微控制器。為了使用閃存驅(qū)動(dòng)器,微控制器就必須具有嵌入式USB主設(shè)備的能力。如果微控制器具有USB OTG(On-The-Go)或USB雙角色(Dual Role)功能,如Microchip公司的PIC24FJ256GB1微控制器,它也可以支持嵌入式USB主設(shè)備功能。USB外圍設(shè)備,有時(shí)也稱(chēng)為USB設(shè)備模式,只能用作閃存驅(qū)動(dòng)器等,而不能和其他USB外圍設(shè)備通信。
其次,設(shè)計(jì)者應(yīng)該確信能有完整的開(kāi)發(fā)工具。至少也需要一個(gè)器件編程器(如果有一個(gè)調(diào)試器是最好的)和一個(gè)C語(yǔ)言編譯器,因?yàn)榍度胧経SB主設(shè)備和運(yùn)行在微控制器中的程序往往是用C語(yǔ)言而不是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。
最后,設(shè)計(jì)者也應(yīng)該了解哪些軟件庫(kù)是可以獲得的,因?yàn)榍度胧皆O(shè)備發(fā)現(xiàn)閃存驅(qū)動(dòng)器時(shí)的握手操作需要USB設(shè)備類(lèi)、FAT32文件系統(tǒng)和其他庫(kù)的支持。從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)支持嵌入式USB主設(shè)備的工作會(huì)需要數(shù)月的時(shí)間,而一個(gè)由經(jīng)過(guò)認(rèn)證的協(xié)議棧組成的方案可以節(jié)省相當(dāng)多的時(shí)間。
為了使用閃存驅(qū)動(dòng)器,嵌入式設(shè)備也需要一種USB海量存儲(chǔ)類(lèi)(Mass Storage Class)設(shè)備的終端驅(qū)動(dòng)程序、硬件命令行接口,以及文件系統(tǒng)接口。通常,具有2Gb或更低存儲(chǔ)空間的閃存驅(qū)動(dòng)器使用FAT16文件系統(tǒng),而更大容量的閃存驅(qū)動(dòng)器將使用FAT32文件系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)要求
一旦選定了微控制器,硬件設(shè)計(jì)就開(kāi)始了。USB硬件設(shè)計(jì)需要遵循以下許多規(guī)則。
如果嵌入式主設(shè)備需要支持USB設(shè)備類(lèi),它對(duì)外圍的供電就必須能夠提供500mA的電流。
如果嵌入式主設(shè)備需要支持任何消耗電流超過(guò)100mA的設(shè)備,它也必須能夠提供500mA的電流。
如果嵌入式主設(shè)備需支持消耗電流100mA或更低的設(shè)備,那么VBUS電壓限制就可以降低到4.4V。然而,如果嵌入式主設(shè)備需支持消耗電流超過(guò)100mA的設(shè)備,那么VBUS電壓限制是 4.75V,就和全功能主設(shè)備一樣。
必須重新設(shè)計(jì)無(wú)須用戶干預(yù)就可復(fù)位的過(guò)流保護(hù)機(jī)制。
從USB連接器到收發(fā)器之間的傳輸延遲必須在8ns之內(nèi)。
嵌入式USB主設(shè)備在VBUS上的電容必須大于120μF,而且USB OTG設(shè)備在VBUS上的電容必須為1.0?6.8μF。
除以上規(guī)則外,也必須仔細(xì)考慮采用嵌入式USB主設(shè)備應(yīng)用的用戶接口。USB外圍設(shè)備通常用在PC上,萬(wàn)一發(fā)生錯(cuò)誤就可以提供詳細(xì)的錯(cuò)誤信息。如果LED指示燈閃爍,用戶能夠知道連接失敗了。USB規(guī)范也作了強(qiáng)制性的規(guī)定,經(jīng)過(guò)認(rèn)證的USB嵌入式主設(shè)備必須提供錯(cuò)誤信息。換句話說(shuō),所有錯(cuò)誤信息必須被明確地通知應(yīng)用層,也就是告知用戶。
USB設(shè)備認(rèn)證
USB認(rèn)證主要用于保證USB設(shè)備符合USB規(guī)范的要求。認(rèn)證可以在各種獨(dú)立的測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行。一旦產(chǎn)品通過(guò)認(rèn)證,生產(chǎn)商就被允許使用USB標(biāo)志,但同樣需要遵守額外的許可證限制。
產(chǎn)品也可以不通過(guò)USB認(rèn)證而直接進(jìn)行生產(chǎn)和銷(xiāo)售。沒(méi)有USB認(rèn)證,生產(chǎn)商可以聲明自己的產(chǎn)品支持USB,但他不能在設(shè)備或包裝上的任何地方使用USB標(biāo)志。通常,取得USB嵌入式主設(shè)備認(rèn)證是不太難的。
通過(guò)USB通信
實(shí)現(xiàn)USB嵌入式主設(shè)備的一個(gè)最大挑戰(zhàn)就是要和各種各樣的USB外圍設(shè)備通信。雖然不是所有的閃存驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品都通過(guò)了認(rèn)證,但是如果在嵌入式設(shè)備中一種閃存驅(qū)動(dòng)器可以正常使用,而另一種沒(méi)有任何原因就不能使用時(shí),用戶是不會(huì)高興的。
如果閃存驅(qū)動(dòng)器需要的上電時(shí)間是允許最大時(shí)間的兩倍或一半,或由于主機(jī)以最大允許的速率輪詢時(shí)閃存驅(qū)動(dòng)器被鎖住,以及因?yàn)殚W存驅(qū)動(dòng)器需要一種不同的SCSI命令序列來(lái)建立通信等,這都不會(huì)有任何問(wèn)題。但如果這樣的閃存驅(qū)動(dòng)器在主設(shè)備上不能運(yùn)行,在PC上卻可以正常使用,用戶會(huì)批*這一主設(shè)備。因此,確保進(jìn)行廣泛的測(cè)試,與多種沒(méi)有進(jìn)行認(rèn)證的USB外圍設(shè)備進(jìn)行通信,即使它只是一個(gè)拇指大的閃存驅(qū)動(dòng)器或一根電纜。
雖然嵌入式USB主設(shè)備可以提供USB類(lèi)級(jí)的支持,在進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí),也應(yīng)該考慮對(duì)特殊USB外圍設(shè)備支持的限制,通過(guò)對(duì)VID(供應(yīng)商ID)和PID(產(chǎn)品ID)的識(shí)別來(lái)保證產(chǎn)品能在設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域正常使用。這個(gè)ID列表是指USB執(zhí)行者論壇所發(fā)布的目標(biāo)外圍設(shè)備列表(TPL),它是為了獲得嵌入式主設(shè)備認(rèn)證所必須服從的檢查項(xiàng)目列表。完整的OTG認(rèn)證實(shí)際上僅需要與TPL列表中的VID/PID標(biāo)志的產(chǎn)品互操作。
審核編輯黃宇
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