嵌入式usb主機的製作方法

2023-06-03 12:01:31 1

專利名稱：嵌入式usb主機的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於計算機領域，特別是涉及一種採用嵌入式計算機技術，帶有USB接口的嵌入式USB主機。
背景技術：
USB接口可把多達127個外設連到用戶的系統上，通過協議來共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對於滑鼠等中、低速外設已經足夠了，而在2000年發布的USB2. O版本中，USB帶寬已經被提升到480Mbps，USB支持即插即用，即允許外設在主 機和其他外設工作時進行連接、配置、使用和刪除，應用USB總線規範，可以取代PC上過多的I/0接口而僅以一個串行接口取代，使得PC與外設之間的連接變得更加容易。自從1996年2月USB1. O版本發布後短短幾天內，USB不僅成為了 PC主板上的標準接口，而且成為了所有PC外設如鍵盤、滑鼠、顯示器、印表機、數字相機、掃描儀和遊戲手柄等與PC相連的標準協議之一，迅速佔領了計算機中、低速外設的市場，大有取代串口和並口之勢，使用USB接口的設備正在以驚人的速度發展，2003年生產的PC幾乎都有USB接口，最新的PC還有USB集線器和4 6個USB接口，最新推出的USB2. O版本，其速度比USB1. O和I. I版本快將近40倍，達到480Mbps，使USB推廣到硬碟、數據機、信息家電網絡產品和其他快速外設成為了可能。在早期的計算機系統上常用串口或並口連接外圍設備，每個接口都需要佔用計算機的系統資源如中斷，I/O地址，DMA通道等，無論是串口還是並口都是點對點的連接，一個接口僅支持一個設備，因此每添加一個新的設備，就需要添加一個ISA/EISA或PCI卡來支持，同時系統需要重新啟動才能驅動新的設備，USB總線主要用於PC機與外圍設備的互聯，和傳統的串並口相比USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易於擴展、應用範圍廣等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統上，USB接口還具有數據傳輸速率高、使用方便等特點，但USB技術還不是很成熟，特別是高速設備。雖然USB技術在PC領域的應用已經如日中天，但由於其以主機為中心的拓撲結構、軟體複雜性以及相對於嵌入式系統較高的功率要求，所以在嵌入式系統中，特別是在無作業系統的嵌入式系統中如何接入外圍設備一直變化不大，許多設計師寧願沿用原來常用的RS232串行接口或並行接口，而不願觸及複雜的USB接口，隨著近年來對USB規範的修改，允許使用替代的連接方法，對主機電源要求有所降低，並可選用480 Mbps的數據傳輸速率，再加上有數百種現成的廉價外設可供使用，使人們對嵌入式USB應用的興趣與日俱增。隨著USB應用領域的逐漸擴大，人們對於USB的期望也越來越高，希望USB能通過PDA等行動裝置直接和USB外設通信，使得USB能應用在沒有PC的領域中，但這正是USB的一個致命的弱點，USB的拓撲結構中居於核心地位的是主機，任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來發起和控制，所有的USB外設都只能和主機建立連接，任何兩個外設之間或是兩個主機之間無法直接通信，而目前，大量的扮演主機角色的是PC，因此，我們目前所買到和使用的USB行動裝置，都是USB的外設，比如USB的移動硬碟、USB接口的數位相機等等，所有這些設備都只能與PC進行文件和數據交換。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種直接利用MCU+USB主控晶片實現的方案，採用8位單片機實現USB主機功能，在MCU完成對USB主機控制晶片的驅動的同時，把數據按照USB協議打包，實現對Mass Storage類USB設備的訪問，完成對U盤文件的創建、讀寫等基本操作，這個方案的優點是用8位MCU，硬體電路簡單、外圍器件少、系統成本低，CPU通過執行虛擬軟體模塊直接驅動普通I/O 口實現硬體外設功能，在單片機上加載USB協議棧、Mass Storage類協議以及構建FAT文件系統，在外接一個USB主機控制晶片的情況下就可以獨立於PC實現USB主機功能，實現對 USB設備的直接控制和操作。本實用新型的技術方案是嵌入式USB主機它包括主機控制器、串口通信模塊電路、電平轉換電路、USB下行埠電路。所述的主機控制器包括單片機系統、外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、USB接口、按鍵、LED顯示、RS232接口，外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、按鍵、LED顯示以及RS232接口都連接在單片機系統上，與單片機系統進行數據交換，USB接口連接在USB主控器上。所述的串口通信模塊電路包括:MAX232CPE晶片、R232接口、第一電容、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容，MAX232CPE晶片的Cl+管腳通過第二電容連接MAX232CPE晶片的Cl-管腳，MAX232CPE晶片的V+管腳通過第一電容連接MAX232CPE晶片的Vcc管腳，MAX232CPE晶片的C2+管腳通過第三電容連接MAX232CPE晶片的C2-管腳，MAX232CPE晶片的V-管腳通過第四電容接地，MAX232CPE晶片的Vcc管腳通過第五電容，連接MAX232CPE晶片的GND管腳，MAX232CPE晶片的GND管腳接地，MAX232CPE晶片的TlOUT管腳連接R232接口的第二管腳，MAX232CPE晶片的RlIN管腳連接R232接口 8的第三管腳，R232接口的第五管腳接地，MAX232CPE晶片的RlOUT管腳及MAX232CPE晶片9的TlIN管腳與單片機系統相連。所述的電平轉換電路包括TPS9633晶片、第六電容、第七電容、第八電容，TPS9633晶片的IN管腳及TPS9633晶片的EN管腳相連，連接在單片機系統上，TPS9633晶片的GEN管腳接地，TPS9633晶片的EN管腳通過第六電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的OUT管腳通過第八電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的Bypass管腳通過第七電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的OUT管腳連接在MAX232CPE 晶片上，所述的USB下行埠電路包括第九電容、第一電阻、第二電阻，USB主控器的Vcc管腳通過第九電容連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的D+管腳通過第一電阻連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的D-管腳通過第二電阻連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的GEN管腳接地。本實用新型與現有技術相比具有如下特點在外接一個USB主機控制晶片的情況下就可以獨立於PC實現USB主機功能，實現對USB設備的直接控制和操作。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型的詳細結構作進一步描述。
附圖I為本實用新型主機控制器組成框圖；附圖2為串口通信模塊電路圖；附圖3為電平轉換電路圖；附圖4為USB下行埠電路圖。
具體實施方式
嵌入式USB主機包括主機控制器、串口通信模塊電路、電 平轉換電路、USB下行埠電路。如附圖I所示，所述的主機控制器包括單片機系統I、外擴R0M2、外擴RAM3、USB主控器4、USB接口 5、按鍵6、1^0顯示7、1 232接口 8，外擴R0M2、外擴RAM3、USB主控器4、按鍵6、LED顯示7以及RS232接口 8都連接在單片機系統I上，與單片機系統I進行數據交換，USB接口 5連接在USB主控器4上。如附圖2示所示，所述的串口通信模塊電路包括:MAX232CPE晶片9、R232接口 8、第一電容C10、第一電容C10、第二電容C11、第三電容C12、第四電容C13、第五電容C14，MAX232CPE晶片9的Cl+管腳Ml通過第二電容Cll連接MAX232CPE晶片9的Cl-管腳M3，MAX232CPE晶片9的V+管腳M2通過第一電容ClO連接MAX232CPE晶片9的Vcc管腳M16，MAX232CPE晶片9的C2+管腳M4通過第三電容C12連接MAX232CPE晶片9的C2-管腳M5，MAX232CPE晶片9的V-管腳M6通過第四電容C13接地，MAX232CPE晶片9的Vcc管腳M16通過第五電容C14，連接MAX232CPE晶片9的GND管腳M15，MAX232CPE晶片9的GND管腳M15接地，MAX232CPE晶片9的TlOUT管腳M14連接R232接口 8的管腳J2,，MAX232CPE晶片9的RlIN管腳M13連接R232接口 8的管腳J3，R232接口 8的管腳J5接地，MAX232CPE晶片9的RlOUT管腳M12及MAX232CPE晶片9的TlIN管腳Mll與單片機系統I相連。如附圖3所示，所述的電平轉換電路包括TPS9633晶片10、第六電容C15、第七電容C16、第八電容C17，TPS9633晶片10的IN管腳Tl及TPS9633晶片10的EN管腳T2相連，連接在單片機系統I上，TPS9633晶片10的GEN管腳T5接地，TPS9633晶片10的EN管腳T2通過第六電容C15連接TPS9633晶片10的GEN管腳T5，TPS9633晶片10的OUT管腳T4通過第八電容C17連接TPS9633晶片10的GEN管腳T5，TPS9633晶片10的Bypass管腳T3通過第七電容C16連接TPS9633晶片10的GEN管腳T5, TPS9633晶片10的OUT管腳T4連接在MAX232CPE晶片9上，如附圖4所示，所述的USB下行埠電路包括第九電容C18、第一電阻R11、第二電阻R12，USB主控器4的Vcc管腳Ul通過第九電容C18連接USB主控器4的GEN管腳U4，USB主控器4的D+管腳U2通過第一電阻Rll連接USB主控器4的GEN管腳U4，USB主控器4的D-管腳U3通過第二電阻R12連接USB主控器4的GEN管腳U4，USB主控器4的GEN管腳U4接地。本實用新型的工作原理和使用方法是單片機系統I在完成系統初始化之後，等待USB主控制器4的外部中斷，當USB設備插入主機系統之後，由USB主控制器4通過外部中斷信號來通知單片機系統1，單片機系統I與USB主控制器4完成設備的枚舉、配置等操作，並將存儲在Flash閃盤中的數據讀出來，通過RS232送入顯示器。為了能夠直觀的顯示系統的運行狀態和加強對系統的控制，系統設置了 LED顯示7和按鍵6。為了方便系統的調試工作，能夠及時地將單片機系統I內部的運行情況直接反映在PC上，利用RS232協議與PC進行通信，以充當整個系統調試的窗口，由於RS232電平標準與系統的TTL電平無法兼容，故需加入電平轉換電路，電平轉換晶片採用MAX232CPE晶片，該模塊的串口通過三線電纜與計算機的9針串口連接，通信協議為RS-232協議，MAX232CPE晶片9將發送的串行數據轉換為RS232標準的電平信號發送到發送端；反之MAX232CPE晶片9將接收的RS232標準的電平信號轉換為串行的數據傳給單片機系統1，這樣就完成了RS232接口通信功能，串行口的通信方式採用8位異步通訊方式，波特率採用9600bps。由於單片機系統I採用的是5V的標準電壓，而MAX232CPE晶片9採用的是3. 3V的電平標準，所以需要將5V的輸入電平轉換為3. 3V，TPS96 33晶片10作為電平轉換晶片。對於系統的電源管理，USB有著非常嚴格的要求，嵌入式USB主機系統中連接的外設為耗電量極低的USB Flash盤，因此為了簡化處理，下行埠的電源被直接接到了系統的電源上。
權利要求1.一種嵌入式USB主機，其特徵是它包括主機控制器、串口通信模塊電路、電平轉換電路、USB下行埠電路；主機控制器包括單片機系統、外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、USB接口、按鍵、LED顯示、RS232接口，外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、按鍵、LED顯示以及RS232接口都連接在單片機系統上，與單片機系統進行數據交換，USB接口連接在USB主控器上；串口通信模塊電路包括MAX232CPE晶片、R232接口、第一電容、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容，MAX232CPE晶片的Cl+管腳通過第二電容連接MAX232CPE晶片的Cl-管腳，MAX232CPE晶片的V+管腳通過第一電容連接MAX232CPE晶片的Vcc管腳，MAX232CPE晶片的C2+管腳通過第三電容連接MAX232CPE晶片的C2-管腳，MAX232CPE晶片的V-管腳通過第四電容接地，MAX232CPE晶片的Vcc管腳通過第五電容，連接MAX232CPE晶片的GND管腳，MAX232CPE晶片的GND管腳接地，MAX232CPE晶片的TlOUT管腳連接R232接口的第二管腳，MAX232CPE晶片的Rl IN管腳連接R232接口 8的第三管腳，R232接口的第五管腳接地，MAX232CPE晶片的RlOUT管腳及MAX232CPE晶片9的TlIN管腳與單片機系統相連；電平轉換電路包括TPS9633晶片、第六電容、第七電容、第八電容，TPS9633晶片的IN管腳及TPS9633晶片的EN管腳相連，連接在單片機系統上，TPS9633晶片的GEN管腳接地，TPS9633晶片的EN管腳通過第六電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的OUT管腳通過第八電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的Bypass管腳通過第七電容連接TPS9633晶片的GEN管腳，TPS9633晶片的OUT管腳連接在MAX232CPE晶片上；USB下行埠電路包括第九電容、第一電阻、第二電阻，USB主控器的Vcc管腳通過第九電容連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的D+管腳通過第一電阻連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的D-管腳通過第二電阻連接USB主控器的GEN管腳，USB主控器的GEN管腳接地。
專利摘要一種嵌入式USB主機，它包括主機控制器、串口通信模塊電路、電平轉換電路、USB下行埠電路,主機控制器包括單片機系統、外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、USB接口、按鍵、LED顯示、RS232接口，外擴ROM、外擴RAM、USB主控器、按鍵、LED顯示以及RS232接口都連接在單片機系統上，與單片機系統進行數據交換，USB接口連接在USB主控器上。
文檔編號G06F13/38GK202615388SQ201220235510
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者黃櫻, 曾華程 申請人:湖南工學院