CN102693203A

CN102693203A - 嵌入式usb主机

Info

Publication number: CN102693203A
Application number: CN201210163056XA
Authority: CN
Inventors: 黄樱; 曾华程
Original assignee: Hunan Institute of Technology
Current assignee: Hunan Institute of Technology
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-09-26

Abstract

一种嵌入式USB主机，它包括主机控制器、串口通信模块电路、电平转换电路、USB下行端口电路,主机控制器包括：单片机系统、外扩ROM、外扩RAM、USB主控器、USB接口、按键、LED显示、RS232接口，外扩ROM、外扩RAM、USB主控器、按键、LED显示以及RS232接口都连接在单片机系统上，与单片机系统进行数据交换，USB接口连接在USB主控器上。

Description

嵌入式USB主机

技术领域

本发明属于计算机领域，特别是涉及一种采用嵌入式计算机技术，带有USB接口的嵌入式USB主机。

背景技术

USB接口可把多达127个外设连到用户的系统上，通过协议来共享USB的带宽，其12Mbps的带宽对于鼠标等中、低速外设已经足够了，而在2000年发布的USB2.0版本中，USB带宽已经被提升到480Mbps，USB支持即插即用，即允许外设在主机和其他外设工作时进行连接、配置、使用和删除，应用USB总线规范，可以取代PC上过多的I/O接口而仅以一个串行接口取代，使得PC与外设之间的连接变得更加容易。

自从1996年2月USB1.0版本发布后短短几天内，USB不仅成为了PC主板上的标准接口，而且成为了所有PC外设如键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等与PC相连的标准协议之一，迅速占领了计算机中、低速外设的市场，大有取代串口和并口之势，使用USB接口的设备正在以惊人的速度发展，2003年生产的PC几乎都有USB接口，最新的PC还有USB集线器和4～6个USB接口，最新推出的USB2.0版本，其速度比USB1.0和1.1版本快将近40倍，达到480Mbps，使USB推广到硬盘、调制解调器、信息家电网络产品和其他快速外设成为了可能。

在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备，每个接口都需要占用计算机的系统资源如中断，I/O地址，DMA通道等，无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备，因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA 或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备，USB总线主要用于PC机与外围设备的互联，和传统的串并口相比USB总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展、应用范围广等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上，USB接口还具有数据传输速率高、使用方便等特点，但USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。

虽然USB技术在PC领域的应用已经如日中天，但由于其以主机为中心的拓扑结构、软件复杂性以及相对于嵌入式系统较高的功率要求，所以在嵌入式系统中，特别是在无操作系统的嵌入式系统中如何接入外围设备一直变化不大，许多设计师宁愿沿用原来常用的RS232串行接口或并行接口，而不愿触及复杂的USB接口，随着近年来对USB规范的修改，允许使用替代的连接方法，对主机电源要求有所降低，并可选用480 Mbps的数据传输速率，再加上有数百种现成的廉价外设可供使用，使人们对嵌入式USB应用的兴趣与日俱增。

随着USB应用领域的逐渐扩大，人们对于USB的期望也越来越高，希望USB能通过PDA等移动设备直接和USB外设通信，使得USB能应用在没有PC的领域中，但这正是USB的一个致命的弱点，USB的拓扑结构中居于核心地位的是主机，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的USB外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信，而目前，大量的扮演主机角色的是PC，因此，我们目前所买到和使用的USB移动设备，都是USB的外设，比如USB的移动硬盘、USB接口的数码相机等等，所有这些设备都只能与PC进行文件和数据交换。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种直接利用MCU+USB主控芯片实现的方案，采用8位单片机实现USB主机功能，在MCU完成对USB主机控制芯片的驱动的同时，把数据按照USB协议打包，实现对Mass Storage类USB设备的访问，完成对U盘文件的创建、读写等基本操作，这个方案的优点是用8位MCU，硬件电路简单、外围器件少、系统成本低，CPU通过执行虚拟软件模块直接驱动普通I/O口实现硬件外设功能，在单片机上加载USB协议栈、Mass Storage类协议以及构建FAT文件系统，在外接一个USB主机控制芯片的情况下就可以独立于PC实现USB主机功能，实现对USB设备的直接控制和操作。

本发明的技术方案是：嵌入式USB主机方法，单片机系统在完成系统初始化之后，等待USB主控制器的外部中断，当USB设备插入主机系统之后，由USB主控制器通过外部中断信号来通知单片机系统，单片机系统与USB主控制器完成设备的枚举、配置等操作，并将存储在Flash闪盘中的数据读出来，通过RS232送入显示器，为了能够直观的显示系统的运行状态和加强对系统的控制，系统设置了LED显示和按键。

为了方便系统的调试工作，能够及时地将单片机系统内部的运行情况直接反映在PC上，利用RS232协议与PC进行通信，以充当整个系统调试的窗口，由于RS232电平标准与系统的TTL电平无法兼容，故需加入电平转换电路，电平转换芯片采用MAX232CPE芯片，该模块的串口通过三线电缆与计算机的9针串口连接，通信协议为RS-232协议，MAX232CPE芯片将发送的串行数据转换为RS232标准的电平信号发送到发送端；反之MAX232CPE芯片将接收的RS232标准的电平信号转换为串行的数据传给单片机系统，这样就完成了RS232接口通信功能，串行口的通信方式采用八位异步通讯方式，波特率采用9600bps。

由于单片机系统采用的是5V的标准电压，而MAX232CPE芯片采用的是3.3V的电平标准，所以需要将5V的输入电平转换为3.3V，TPS9633芯片作为电平转换芯片实现电平的转换。

对于系统的电源管理，USB有着非常严格的要求，嵌入式USB主机系统中连接的外设为耗电量极低的USB Flash盘，因此为了简化处理，下行端口的电源被直接接到了系统的电源上。

根据以上方法所设计的嵌入式USB主机装置包括：主机控制器、串口通信模块电路、电平转换电路、USB下行端口电路。

所述的主机控制器包括：单片机系统、外扩ROM、外扩RAM、 USB主控器、USB接口、按键、LED显示、RS232接口，外扩ROM、外扩RAM、 USB主控器、按键、LED显示以及RS232接口都连接在单片机系统上，与单片机系统进行数据交换，USB接口连接在USB主控器上。

所述的串口通信模块电路包括：MAX232CPE芯片、R232接口、第一电容、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容，MAX232CPE芯片的C1+管脚通过第二电容连接MAX232CPE芯片的C1-管脚，MAX232CPE芯片的V+管脚通过第一电容连接MAX232CPE芯片的Vcc管脚，MAX232CPE芯片的C2+管脚通过第三电容连接MAX232CPE芯片的C2-管脚，MAX232CPE芯片的V-管脚通过第四电容接地，MAX232CPE芯片的Vcc管脚通过第五电容，连接MAX232CPE芯片的GND管脚，MAX232CPE芯片的GND管脚接地，MAX232CPE芯片的T1OUT管脚连接R232接口的第二管脚，MAX232CPE芯片的R1IN管脚连接R232接口8的第三管脚，R232接口的第五管脚接地，MAX232CPE芯片的R1OUT管脚及MAX232CPE芯片9的T1IN管脚与单片机系统相连。

所述的电平转换电路包括：TPS9633芯片、第六电容、第七电容、第八电容，TPS9633芯片的IN管脚及TPS9633芯片的EN管脚相连，连接在单片机系统上，TPS9633芯片的GEN管脚接地，TPS9633芯片的EN管脚通过第六电容连接TPS9633芯片的GEN管脚，TPS9633芯片的OUT管脚通过第八电容连接TPS9633芯片的GEN管脚，TPS9633芯片的Bypass管脚通过第七电容连接TPS9633芯片的GEN管脚, TPS9633芯片的OUT管脚连接在MAX232CPE芯片上。

所述的USB下行端口电路包括：第九电容、第一电阻、第二电阻, USB主控器的Vcc 管脚通过第九电容连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的D+ 管脚通过第一电阻连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的D-管脚通过第二电阻连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的GEN 管脚接地。

本发明与现有技术相比具有如下特点：在外接一个USB主机控制芯片的情况下就可以独立于PC实现USB主机功能，实现对USB设备的直接控制和操作。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明主机控制器组成框图；

附图2为串口通信模块电路图；

附图3为电平转换电路图；

附图4为USB下行端口电路图。

具体实施方式

嵌入式USB主机方法：单片机系统1在完成系统初始化之后，等待USB主控制器4的外部中断，当USB设备插入主机系统之后，由USB主控制器4通过外部中断信号来通知单片机系统1，单片机系统1与USB主控制器4完成设备的枚举、配置等操作，并将存储在Flash闪盘中的数据读出来，通过RS232送入显示器。为了能够直观的显示系统的运行状态和加强对系统的控制，系统设置了LED显示7和按键6。

为了方便系统的调试工作，能够及时地将单片机系统1内部的运行情况直接反映在PC上，利用RS232协议与PC进行通信，以充当整个系统调试的窗口，由于RS232电平标准与系统的TTL电平无法兼容，故需加入电平转换电路，电平转换芯片采用MAX232CPE芯片，该模块的串口通过三线电缆与计算机的9针串口连接，通信协议为RS-232协议，MAX232CPE芯片9将发送的串行数据转换为RS232标准的电平信号发送到发送端；反之MAX232CPE芯片9将接收的RS232标准的电平信号转换为串行的数据传给单片机系统1，这样就完成了RS232接口通信功能，串行口的通信方式采用8位异步通讯方式，波特率采用9600bps。

由于单片机系统1采用的是5V的标准电压，而MAX232CPE芯片9采用的是3.3V的电平标准，所以需要将5V的输入电平转换为3.3V，TPS9633芯片10作为电平转换芯片。

如附图1所示，所述的主机控制器包括：单片机系统1、外扩ROM2、外扩RAM3、 USB主控器4、USB接口5、按键6、LED显示7、RS232接口8，外扩ROM2、外扩RAM3、 USB主控器4、按键6、LED显示7以及RS232接口8都连接在单片机系统1上，与单片机系统1进行数据交换，USB接口5连接在USB主控器4上。

如附图2示所示，所述的串口通信模块电路包括：MAX232CPE芯片9、R232接口8、第一电容C10、第一电容C10、第二电容C11、第三电容C12、第四电容C13、第五电容C14，MAX232CPE芯片9的C1+管脚M1通过第二电容C11连接MAX232CPE芯片9的C1-管脚M3，MAX232CPE芯片9的V+管脚M2通过第一电容C10连接MAX232CPE芯片9的Vcc管脚M16，MAX232CPE芯片9的C2+管脚M4通过第三电容C12连接MAX232CPE芯片9的C2-管脚M5，MAX232CPE芯片9的V-管脚M6通过第四电容C13接地，MAX232CPE芯片9的Vcc管脚M16通过第五电容C14，连接MAX232CPE芯片9的GND管脚M15，MAX232CPE芯片9的GND管脚M15接地，MAX232CPE芯片9的T1OUT管脚M14连接R232接口8的第二管脚J2，，MAX232CPE芯片9的R1IN管脚M13连接R232接口8的第三管脚J3，R232接口8的第五管脚J5接地，MAX232CPE芯片9的R1OUT管脚M12及MAX232CPE芯片9的T1IN管脚M11与单片机系统1相连。

如附图3所示，所述的电平转换电路包括：TPS9633芯片10、第六电容C15、第七电容C16、第八电容C17，TPS9633芯片10的IN管脚T1及TPS9633芯片10的EN管脚T2相连，连接在单片机系统1上，TPS9633芯片10的GEN管脚T5接地，TPS9633芯片10的EN管脚T2通过第六电容C15连接TPS9633芯片10的GEN管脚T5，TPS9633芯片10的OUT管脚T4通过第八电容C17连接TPS9633芯片10的GEN管脚T5，TPS9633芯片10的Bypass管脚T3通过第七电容C16连接TPS9633芯片10的GEN管脚T5, TPS9633芯片10的OUT管脚T4连接在MAX232CPE芯片9上。

如附图4所示，所述的USB下行端口电路包括：第九电容C18、第一电阻R11、第二电阻R12, USB主控器4的Vcc 管脚U1通过第九电容C18连接USB主控器4的GEN 管脚U4，USB主控器4的D+ 管脚U2通过第一电阻R11连接USB主控器4的GEN 管脚U4，USB主控器4的D-管脚U3通过第二电阻R12连接USB主控器4的GEN 管脚U4，USB主控器4的GEN 管脚U4接地。

Claims

1.一种嵌入式USB主机方法，其特征是：单片机系统在完成系统初始化之后，等待USB主控制器的外部中断，当USB设备插入主机系统之后，由USB主控制器通过外部中断信号来通知单片机系统，单片机系统与USB主控制器完成设备的枚举、配置等操作，并将存储在Flash闪盘中的数据读出来，通过RS232送入显示器，为了能够直观的显示系统的运行状态和加强对系统的控制，系统设置了LED显示和按键；为了方便系统的调试工作，能够及时地将单片机系统内部的运行情况直接反映在PC上，利用RS232协议与PC进行通信，以充当整个系统调试的窗口，由于RS232电平标准与系统的TTL电平无法兼容，故需加入电平转换电路，电平转换芯片采用MAX232CPE芯片，该模块的串口通过三线电缆与计算机的9针串口连接，通信协议为RS-232协议，MAX232CPE芯片将发送的串行数据转换为RS232标准的电平信号发送到发送端；反之MAX232CPE芯片将接收的RS232标准的电平信号转换为串行的数据传给单片机系统，这样就完成了RS232接口通信功能，串行口的通信方式采用八位异步通讯方式，波特率采用9600bps。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式USB主机方法所设计的，嵌入式USB主机装置，其特征是：它包括主机控制器、串口通信模块电路、电平转换电路、USB下行端口电路；

主机控制器包括：单片机系统、外扩ROM、外扩RAM、 USB主控器、USB接口、按键、LED显示、RS232接口，外扩ROM、外扩RAM、 USB主控器、按键、LED显示以及RS232接口都连接在单片机系统上，与单片机系统进行数据交换，USB接口连接在USB主控器上；串口通信模块电路包括：MAX232CPE芯片、R232接口、第一电容、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容，MAX232CPE芯片的C1+管脚通过第二电容连接MAX232CPE芯片的C1-管脚，MAX232CPE芯片的V+管脚通过第一电容连接MAX232CPE芯片的Vcc管脚，MAX232CPE芯片的C2+管脚通过第三电容连接MAX232CPE芯片的C2-管脚，MAX232CPE芯片的V-管脚通过第四电容接地，MAX232CPE芯片的Vcc管脚通过第五电容，连接MAX232CPE芯片的GND管脚，MAX232CPE芯片的GND管脚接地，MAX232CPE芯片的T1OUT管脚连接R232接口的第二管脚，MAX232CPE芯片的R1IN管脚连接R232接口8的第三管脚，R232接口的第五管脚接地，MAX232CPE芯片的R1OUT管脚及MAX232CPE芯片9的T1IN管脚与单片机系统相连；电平转换电路包括：TPS9633芯片、第六电容、第七电容、第八电容，TPS9633芯片的IN管脚及TPS9633芯片的EN管脚相连，连接在单片机系统上，TPS9633芯片的GEN管脚接地，TPS9633芯片的EN管脚通过第六电容连接TPS9633芯片的GEN管脚，TPS9633芯片的OUT管脚通过第八电容连接TPS9633芯片的GEN管脚，TPS9633芯片的Bypass管脚通过第七电容连接TPS9633芯片的GEN管脚, TPS9633芯片的OUT管脚连接在MAX232CPE芯片上；USB下行端口电路包括：第九电容、第一电阻、第二电阻, USB主控器的Vcc 管脚通过第九电容连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的D+ 管脚通过第一电阻连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的D-管脚通过第二电阻连接USB主控器的GEN 管脚，USB主控器的GEN 管脚接地。