??? 摘 要：提出了基于LM3S316實現與PC機通訊的方法。給出了硬件實現及軟件設計思想。該方法使用微控制器仿真USB設備，降低了功耗、成本。
??? 關鍵詞：LM3S316；USB；PC機
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??? USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，為計算機和外設間的數據通信提供了一個很好的解決方案, 具有傳輸速度快、連接靈活、使用方便等特點。作為一種高速的新型總線接口，USB支持即插即用設備，并能為外設提供電源且易于擴展。因此，可廣泛應用于打印機、掃描儀、大容量外部數據存儲器、數碼相機和高速數據采集等多種設備中?，F在市場上USB設備多是由專門的USB控制芯片來實現其應用控制，芯片內集成了USB協議，成本較高。本文提出用LM3S316微處器來實現其與PC機通訊的方法，以實現仿真USB，從而降低成本。
1 通用串行總線USB的底層結構
1.1 USB設備
??? USB設備可以接在PC上任意的USB接口，其物理接口的結構如圖1(a)所示。使用HUB還可以實現USB的擴展，使更多的USB設備連接到系統中。USB的HUB上有一個上行的端口(連到Host)，有多個下行端口用來連接到其他設備。Host和USB設備之間的關系如圖1(b)所示。
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1.2 USB的物理信號
??? USB的電纜共有4根線，兩邊突出的為+5 V的電源線，另外2根是數據線。如圖2所示，VBUS是設備供電接線，電壓+5 V，最大供電電流500 mA，向設備提供電源。具有過流保護、供電控制等功能。
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??? 當USB設備插入接口時電源線先接通然后再接通數據線，拔出時先斷開數據線再斷開電源線，這正是USB設備可熱拔插的原因之一。USB總線可以在不使用時掛起，節約能源。
1.3 USB版本
??? 常規USB通訊協議有USB1.1、USB2.0。USB1.1版本的USB設備，支持全速12 Mb/s低速通訊(1.5 Mb/s)；USB2.0版本的USB設備，支持高速通訊(480 Mb/s)。由于USB2.0的通訊速率太高，必須由單獨芯片控制，所以芯片仿真無法實現。
1.4 通訊建立?
??? 串口通訊另一個標準RS232的通訊發起方可以從兩端發起，而USB通訊發起方總是在主機端(HOST)，設備端總是響應主機端的通訊請求。主機端如果是PC機，每隔1ms發起一次對一個設備的通訊建立請求，設備接收到訪問己方請求后，立即與主機建議起通訊連接。
1.5 電氣特性
??? “D-是低速信號總線，D+是高速信號總線”的說法是不準確的，因為USB信號總線是平衡差分式的，這點類似于485總線。所謂“D-是低速信號總線”是指對于低速設備(如鼠標、鍵盤) 時，D-這條線在USB設備端加1.5 kΩ上拉電阻。反之對于全速設備(如U盤、打印機、掃描儀)，D+信號線加1.5 kΩ上拉電阻。
1.6 NRZI編碼及位填充
??? 由于USB總線沒有同步時鐘信號線，想要主機與設備建立良好通訊同步效果，只有從數據序列中提取同步時鐘。類似RS232串口通訊，USB通訊的建立也有起始信息，RS232是一個起始位，而USB起始位有8位，稱之為同步域(或段)格式為01010100。由于RS232的通訊速率較低，所以兩端同步時鐘不大于5%即可實現良好通訊。然而USB通訊最低速率也大于1 Mb/s，對于時鐘的同步要求嚴格得多，況且USB的數據包中的每個字節不象RS232每個字節都有起始位(僅在包頭有同步域)。鑒此，USB通訊時必須在數據包的位序列中提取同步信息。想象一下，如果數據包序列中數據位全是邏輯“1”或者全是邏輯“0”，芯片是無法提取同步信息的，為此需要一個高效的編碼方案，于是就有了NRZI和位填充概念。何謂NRZI，如圖3所示，NRZI是非“1”跳變。
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??? 對于NRZI編碼方式會遇到一個嚴重的問題，即若一長串連續的“1”將會導致無電平跳變，逐漸地累積，以致引起機收起，最終丟失同步信號，使得讀取的時序發生嚴重的錯誤。因此，在NRZI編碼之間，還需執行所謂的位填充(bit-stuffing)工作。連續地傳輸6個“1”位，強制在NRZI編碼的數據流中加入跳變。這就確保接收器至少可以在每7 bit的時間間隔內檢測到一次跳變，使接收器和傳送的數據保持同步。圖4說明了位填充的工作方式。
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1.7 USB通訊模式
??? 4種傳輸方式:控制(control)、同步(isochronous)、中斷(interrupt)、大量(bulk)。
??? 其中中斷方式傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數據要傳送。設備的端點模式器的結構決定了它的查詢頻率，這種傳輸方式的典型應用在少量的、分散的、不可預測數據的傳輸。鍵盤、操縱桿和鼠標就屬于這一類型。中斷方式傳送是單向的，并且對于host來說只有輸入的方式。
1.8 包的概念
??? 一個最小的USB數據塊叫做包(packet)，它包括同步信號、包標識(packet ID)、CRC和傳送的數據。
1.9 端點
??? 端點也可稱為設備終端，每個USB設備(USB芯片)內可以有1～16個端點。相對USB芯片而言，各端點在通訊中功能傳輸的數據包的大小和傳輸模式有所不同，在芯片內數據緩沖區的地址也有所變化。
2? LM3S316控制器
??? Luminary Micro StellarisTM系列的微控制器是首款基于ARM CortexTM-M3的控制器，它將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應用中。這些堪稱先鋒的器件擁有與8位和16位器件相同的價格，卻能為用戶提供32位器件的性能，而且所有器件都以小型封裝形式提供。
??? Stellaris系列的LM3S316微控制器擁有ARM微控制器所具有的眾多優點，如擁有廣泛使用的開發工具、片上系統(SoC)的底層結構IP的應用，以及眾多的用戶群體。此外，控制器還采用了ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集來降低內存需求量，進而降低成本。 與早期的ARM7相比較，功耗更低、中斷延時更小、代碼執行速度更快、價格更低。
??? LM3S316微控制器具有如下特性：
??? (1) 32位RISC性能；
??? (2) 內部16 KB單周期Flash存儲器，4 KB單周期SRAM；
??? (3) 3個通用定時器；
??? (4) 同步串行接口(SCI)；
??? (5) 串行UART接口；
??? (6) 3個獨立的模擬比較器；
??? (7) PWM；
??? (8) 3～36個可配置的GPIO，每個GPIO都可配置邊沿或電平觸發中斷；
??? (9) 48腳LQFP封裝。
3 實現原理
??? 由于LM3S316控制器每個GPIO都可配置為中斷引腳，所以在這個應用中只需要用2個同Port的相鄰引腳仿真USB的D+和D-，如圖5所示。
4 軟件設計
??? USB總線屬一種輪訊方式的總線,主機控制端口初始化所有的數據傳輸。
??? 每一總線執行動作最多傳送3個數據包。按照傳輸前制定好的原則,在每次傳送開始時,主機控制器發送一個描述傳輸運作的種類、方向、USB設備地址和終端號的USB數據包,這個數據包通常稱為標志包(token packet)。USB設備從解碼后的數據包的適當位置取出屬于自己的數據。數據傳輸方向不是從主機到設備就是從設備到主機。在傳輸開始時,由標志包來標志數據的傳輸方向,然后發送端開始發送包含信息的數據包或表明沒有數據傳送。接收端也要相應發送一個握手的數據包表明是否傳送成功。發送端和接收端之間的USB數據傳輸,在主機和設備的端口之間,可視為一個通道。 事務預處理允許對一些數據流的通道進行控制,從而在硬件級上防止了對緩沖區的高估或低估,通過發送不確認握手信號從而阻塞了數據的傳輸速度。當不確認信號發過后,若總線有空閑,數據傳輸將再做一次。這種流控制機制允許靈活的任務安排,可使不同性質的流通道同時正常工作,這樣多種流通?？稍诓煌g隔進行工作,傳送不同大小的數據包。
??? LM3S316芯片利用2個GPIO的中斷監控USB總線，當USB總線從空閑狀態變為傳輸狀態，也就是總線由主機發起與同步域(SYN)，LM3S316進入USB接收程序。略過同步階段，收到的第一個字節是PID字段(包標識類型)。這字段的低4位描述此包類型方向(IN或OUT)，接下來7位表示設備的地址，然后是4位端點號索引。LM3S316根據設備地址判定主機向本設備發起的請求，如果是則根據包的類型決定繼續接收數據或向主機發送數據。對OUT類型數據的后5～16位是CRC校驗(根據配置決定CRC的位數)。對IN類型，LM3S316將準備好數據連同CRC校驗數據一同發往主機。數據傳輸階段完成后，主機或設備要發回ACK響應，確認傳輸成功。
??? 使用LM3S316控制器仿真USB設備的方法，極大地方便了用戶的開發，同時降低了功耗、成本。本方法在USB讀卡器、USB編程器、USB接口轉RS232等方面具有良好的應用前景。
參考文獻
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