基于TTL串口的嵌入式USB主機系統的設計

摘要：本文介紹了一種基于TTL串口的嵌入式USB 主機系統。介紹了該系統的硬件實現，以及USB 主機的底層驅動軟件的實現，并簡要介紹其在數據采集系統領域中的應用。

關鍵字：嵌入式；USB主機；TTL串口；Mass storage類 

1 引言

    隨著移動存儲業的發展及數碼產品的普及，數據采集系統、工控行業和嵌入式用戶對移動存儲的需求越來越大，也對數據移動存儲盤提出了更高的應用要求，包括到地礦數據采集行業用戶、水文系統數據采集行業用戶、儀器儀表制造行業用戶、鐵路、長途汽運等交通系統數據采集用戶、油田數據采集系統用戶、單板系統的軟件升級用戶、紡織系統數據采集用戶、銀行等。但由于之前多數數據采集設備、工控機及嵌入式系統不具備USB數據輸入輸出標準接口，所以在USB數據存儲方面一直得不到很好的普及。業界和用戶的需求使得嵌入式ＵＳＢ主機的研究成為ＵＳＢ研究領域的一個新的方向。

    本文介紹了一種基于TTL串口的ＵＳＢ主機系統，通過TTL串口（或并口）轉接出USB接口，系統原理圖如圖1所示。嵌入式設備需要通過TTL串口，按照ＵＳＢ主機系統的串口通信協議與ＵＳＢ主機系統進行數據傳輸和通信，主機系統負責優盤的檢測和數據的存儲。本文詳細介紹了該系統的設計思路，并給出了硬件設計和USB 主機的底層驅動軟件的設計方法。

2  USB主機工作原理

    對于我們設計嵌入式USB主機，可以參照PC上的USB主機。對于PC上的USB主機，其硬件方面

    由一個USB主機接口芯片控制，這個接口芯片在通過PCI總線與PC機通訊，其余還有電源管理部分；軟件方面主要有三部分：USB接口驅動程序，負責CPU與USB主機接口芯片的通訊，負責底層USB包的接收和發送；USB協議棧驅動程序，負責解析設備驅動程序對USB的各種操作命令，并在解碼后發給底層驅動程序；設備驅動程序，也就是上層的應用程序，包括操作系統提供給用戶的API,以及用戶自定義的對USB設備的操作，比如發送設備特有的USB命令請求。PC上的USB主機端軟件結構圖如圖2所示。  

3．系統結構

    整個系統的核心芯片選用Motorola公司的DSP56f803和TDI公司的USB HOST控制器UHC124。整個系統由DSP56f803模塊、UHC124模塊、UART串口模塊。

 3．1 DSP56f803模塊

    系統的核心控制器，包括基本硬件和編寫的固件。實現的功能包括：實現與UHC124的物理連接和通訊，并且配置UHC124的控制寄存器；配置USB外設，實現USB通信，實現USB Host要求的各項配置和數據傳輸的要求，接受USB Host的命令來管理USB外設；實現FAT16文件系統。{{分頁}}

 3．2 UHC124模塊

    USB HOST控制器的硬件部分。實現USB Host的接口，配置下行USB設備，管理USB總線電源。實現的功能包括：實現各種USB Host動作，協調內容各項功能，與外圍主控制器通訊；存放傳輸的USB數據，設置USB傳輸特性；與作為主控制器的DSP56f803接口連接；管理USB電源，連接下行USB設備，總共帶有4個下行USB設備端口。

3．3 UART串口模塊

    與用戶通過串口進行協議通訊的固件部分。實現自定義的串口通訊協議，即根據自定義的串口通訊協議，解析串口通訊數據包，調用相應的文件操作接口函數，實現客戶的文件操作命令。

4．硬件設計

4．1硬件架構

    硬件主要模塊包括USB HOST、主控芯片、外部SRAM、譯碼指示和電源部分。主控芯片和USB HOST芯片連接，控制USB HOST芯片與移動存儲盤通訊。考慮到需要給用戶預留數據Buffer,所以外擴SRAM。因為芯片工作電源不同，所以要提供兩組直流電源,譯碼指示電路采用3個LED指示燈，一個電源指示，一個指示移動存儲盤的接入，另一個指示了工控機與移動存儲盤通訊工作中。

4．2 USB主控芯片的選型

    對于主控芯片的選型應該會有多種選擇，只要帶有UART接口,程序存儲空間足夠，程序的執行效率可以滿足系統的功能需求即可。對于USB主控芯片，目前市面上出現的主要有3種：Sypress公司的SL811、

    Philips公司的ISP1161和TDI公司的UHC124。其中，SL811較為常見，筆者也曾用過此芯片進行過第一代產品的開發，綜合各方面的選型因素考慮，第二代產品選用了UHC124。

    UHC124與其他兩款芯片的主優勢在于：支持包傳送，最多可一次性傳送16個USB 協議交互數據，而不會向CPU產生中斷，而SL811是每次都會產生中斷，大大占用了CPU的資源；支持所有的USB傳輸

    類型，包括控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸和同步傳輸，且數據包最大可達到1023字節；具有2K的數據存儲區。{{分頁}}

4．3主控芯片與USB HOST相連的接口電路

    UHC124支持兩種存儲器訪問模式，取決于MODE引腳的電平高低。如果主控芯片沒有外部總線，需

    采用模式0；如果主控芯片有獨立或復用的數據地址總線，采用模式1。本方案所選的主控芯片DSP56f803

    具有獨立的地址數據總線，因此采用UHC124的工作模式1。接口電路如下圖4所示：

5．   軟件設計

    USB 主機軟件的設計我們可以參照PC的USB 主機來設計。本方案的簡要軟件流程圖如圖5所示。

5．1 USB接口驅動程序

    主要實現主控芯片DSP56f803與USB主機接口芯片UHC124的通訊，以及底層USB包的接收和發送，

    是實現整個USB體系的基礎。包括如下幾個函數：

void ReadLengthFromHost(UCHAR ucaddr,UCHAR uclength,UCHAR *pucdata);      

void WriteLengthToHost(UCHAR *pucdata,UCHAR  uclength,UCHAR ucaddr);

UCHAR OutBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

UCHAR InBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

5．2 USB協議棧驅動程序

   主要實現USB協議定義的標準命令請求，主要包括：

ClearFeature(),GetConfiguration(),GetDescriptor(),GetInmterface(),GetStatus(),SetAddress(),SetConfiguration(),SetDescriptor(),SetFeature(),SetInterface()。

    具體的標準設備請求的含義請參考USB 標準協議。USB 主機要在檢測到有USB設備插入時，完成對USB設備的枚舉，之后USB主機和USB設備才可以進入正常的數據包通訊狀態。{{分頁}}

5．3 USB設備類驅動程序

    移動存儲盤屬于USB協議所定義的設備類中的Mass Storage類，USB 組織定義了海量存儲設備類（Mass

Storage Class）的規范，這個類規范包括四個獨立的子類規范，即：1. USB Mass Storage Class

Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport 3. USB MassStorage

Class ATA Command Block 4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。前兩個子規范定義了數據/命令/狀態在USB 上的傳輸方法。Bulk- Only 傳輸規范僅僅使用Bulk 端點傳送數據/命令/狀態，CBI 傳

    輸規范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數據/命令/狀態傳送。后兩個子規范則定義了存儲介質的操作命令。ATA 命令規范用于硬盤，UFI 命令規范是針對USB 移動存儲。因此USB主機需要遵循Mass Storage 協議來組織數據和發送命令，即可實現與移動存儲盤交換數據。

6．結束語

     嵌入式USB主機的開發，目前在國外也處于剛剛起步的階段，可以提供的USB HOST接口芯片的并不多。作為USB總線研究的另一熱點，嵌入式USB HOST的研究具有一定的先進性和前瞻性。以嵌入式USB 主機為核心的數據采集系統，可以在工業和民用兩個領域得到廣泛的應用，可以帶來可觀的經濟效益和市場前景。 

參考文獻：
[1] MOTOROLA  DSP56f803 Technical Data [z],   2002
[2] UHC124 Datasheet V1.05 [z].  TransDimension Inc,  2001
[3]Open Host Controller Interface Specification for USB[z]. Compaq, microsoft,National Semiconductor ,  1999
[4]USB Specification 1.1[z], 1998.