基于嵌入式系统的USB(HID)设备

文章摘要：基于嵌入式系统的USB（HID）设备目前嵌入式系统在数字化电子产品领域应用越来越广泛。随着其成本的降低，大有取代单片机的趋势。 USB设备以其小巧、便携、即插即用、成本低廉等优势在当前的桌面应用中有相当的比重，尤其是 HID（人机接口）设备，其免驱的特点（不用安装驱动程序）更是给用户带来极大方便。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。 PCB板的面积较大。本文提出了仅用一片 MCU（微处器－单片机）或嵌入式系统芯片来实现其与 PC机的通讯的方法。就单片机而言，多数单片机速度较慢，对事件的响应能力较弱，对全速 USB应用不是很好的

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基于嵌入式系统的USB（HID）设备

目前嵌入式系统在数字化电子产品领域应用越来越广泛。随着其成本的降低，大有取代单片机的趋势。 USB设备以其小巧、便携、即插即用、成本低廉等优势在当前的桌面应用中有相当的比重，尤其是 HID（人机接口）设备，其免驱的特点（不用安装驱动程序）更是给用户带来极大方便。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。 PCB板的面积较大。本文提出了仅用一片 MCU（微处器－单片机）或嵌入式系统芯片来实现其与 PC机的通讯的方法。就单片机而言，多数单片机速度较慢，对事件的响应能力较弱，对全速 USB应用不是很好的选择。而嵌入式系统，由于其速度较之单片机快很多，内部 RAM容量较大，用其来仿真 USB设备是个理想的策略。

本文将以 LM310嵌入式芯片仿真USB（HID）键盘为例，研究其仿真 USB的方法。 1 USB协议规范

1.1总线定义：
 
USB又称通用串地总线，共有四条线，如图 1所示，VBUS是设备供电接线，电压＋5V，最大供电电流500mA，向设备提供电源。具有过流保护、供电控制等功能。D－低速信号线；D＋全速信号线；GND电源地。


1.2 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 12Mb/S低速通讯（1.5Mb/S）；USB2.0版本的 USB设备，支持高速通讯(480Mb/S)。由于 USB2.0的通讯速率太高，所以用芯片仿真无法实现(必须由单独芯片控制)。

1.3总线长度USB1.1版本的设备总线长度不大于 5米，通过集线器或中继器，可达到 30米 95个中断器或集线器)。U2.0设备总线长度不大于3米。

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

对于“D-是低带信号总线，D+是高速信号总线是高速总线”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“在-是低速信号总线”是指当US阳低速设备（如鼠标、键盘) 时，D-这条线在 USB设备端加 1.5K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1.5K上拉电阻。

关于D+、D-信号线上的电压浅谈一下，类似于 485总线，当 485总线的 A相电压大，B相电压 200mV时，差分放大器输出逻辑“1”，反之“0”，USB总线在低速设备端D-电压如大于2.0V，D+电压小于 0.8V为逻辑“1”反之为“0”，在主机端，一根为大于2.8V，另一根小于 0.3发，在此主机端不做深入探究。

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起始位也有 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1Mb/S，对于时钟的同步要求严格的多，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，看图 2所示，NRZI是非“1”跳变。由图可知问题只解决一半，USB规范约定当序列中连续出现 6个逻辑“1”时加进一位“0”，如此问题全部解决，只不过是需要在接收后除去加进的一个位“0”，加进一位“0”的过程就是位填充。

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