多功能USB組合設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 全文

　　引言

　　隨著USB通信技術(shù)的不斷發(fā)展，USB接口得到了廣泛的應(yīng)用。單一功能的USB設(shè)備，如USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、USB調(diào)制解調(diào)器等，已經(jīng)不能滿足人們對USB設(shè)備功能的要求。多功能的USB設(shè)備正不斷涌現(xiàn)出來，常見的有帶話筒的USB攝像頭、USB可視電話等。因此，研究多功能USB設(shè)備對于滿足人們對新型USB設(shè)備的需求是十分必要的。

　　針對鼠標(biāo)和鍵盤等人機(jī)接口設(shè)備存在功能單一的缺點(diǎn)，不能完全滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求，提出了一種多功能USB設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。多功能USB設(shè)備是一種復(fù)雜的USB設(shè)備，它雖然只有一個(gè)USB接口，但卻具有實(shí)現(xiàn)多種類型設(shè)備的功能。以USB多媒體鍵盤編碼器HT82K95E為核心，完成了兩種人機(jī)接口設(shè)備的枚舉過程。還對USB復(fù)合設(shè)備和USB組合設(shè)備兩種基本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較，并對USB組合設(shè)備的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

　　1 多功能USB設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型

　　多功能USB設(shè)備通常是通過單個(gè)或多個(gè)USB控制器連接不同類型的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。而在一個(gè)USB接口上實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備有兩種方法：一種是復(fù)合設(shè)備(Compound Device)，一種是組合設(shè)備(Composite Device)。圖1和圖2分別給出了復(fù)合設(shè)備和組合設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型。

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　　實(shí)際上，USB設(shè)備應(yīng)該被視為不同的功能。多個(gè)功能可以被封裝在一起形成一個(gè)物理設(shè)備。所以復(fù)合設(shè)備其實(shí)就是幾個(gè)設(shè)備通過一個(gè)USB Hub形成的單一設(shè)備，復(fù)合設(shè)備內(nèi)的Hub和與Hub相連的各個(gè)功能會(huì)分配各自的設(shè)備地址。組合設(shè)備也就是具有多個(gè)接口的設(shè)備，每個(gè)接口代表一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，但是組合設(shè)備只有一個(gè)設(shè)備地址。

　　采用復(fù)合設(shè)備方法開發(fā)多功能USB設(shè)備時(shí)，其開發(fā)過程同開發(fā)兩種不同類型的USB設(shè)備相同，開發(fā)難度較低。本文重點(diǎn)介紹組合設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，并舉例加以實(shí)現(xiàn)。

　　2 組合設(shè)備的設(shè)計(jì)方法

　　2.1 組合設(shè)備的特點(diǎn)

　　USB組合設(shè)備是指具有多個(gè)接口且接口間相互獨(dú)立的USB設(shè)備。一個(gè)USB設(shè)備只有一個(gè)設(shè)備地址，可以將不同的功能與不同的接口對應(yīng)，來開發(fā)多功能USB設(shè)備。

　　組合設(shè)備采用一個(gè)USB控制芯片，同時(shí)接A設(shè)備和B設(shè)備。主機(jī)可以同時(shí)與A設(shè)備和B設(shè)備通信。

　　2.2 組合設(shè)備的描述符結(jié)構(gòu)

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　　如圖3所示，以兩個(gè)接口的組合設(shè)備為例，來說明組合設(shè)備的描述符結(jié)構(gòu)。一個(gè)設(shè)備描述符下有一個(gè)配置描述符，一個(gè)配置描述符下可以有多個(gè)接口描述符，分別對應(yīng)不同的設(shè)備。每個(gè)接口描述符下又包含多個(gè)端點(diǎn)描述符。一個(gè)USB邏輯設(shè)備對USB系統(tǒng)來說就是一個(gè)端點(diǎn)集合。端點(diǎn)可以根據(jù)它們實(shí)現(xiàn)的接口來分類。所有的USB設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)缺省的控制方法。這種方法將端點(diǎn)0作為輸入端點(diǎn)，同時(shí)也將端點(diǎn)0作為輸出端點(diǎn)。USB系統(tǒng)用這個(gè)缺省方法初始化及一般地使用邏輯設(shè)備(即設(shè)置此設(shè)備)。設(shè)備可以有除端點(diǎn)0以外的其他端點(diǎn)，這取決于這些設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。低速設(shè)備除端點(diǎn)0外，只能有2個(gè)額外的可選端點(diǎn)。而高速設(shè)備可具有的額外端點(diǎn)數(shù)僅受限于協(xié)議的定義。除缺省控制通道的缺省端點(diǎn)外，其他端點(diǎn)只有在設(shè)備被設(shè)置后才可使用。而且除端點(diǎn)0外，其他端點(diǎn)在不同接口間不能共享。

　　組合設(shè)備使用一個(gè)USB控制芯片，通過控制不同的接口與不同的設(shè)備進(jìn)行通信，解決了主機(jī)與組合設(shè)備內(nèi)各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)流的區(qū)分問題。

　　3 組合設(shè)備的硬件實(shí)現(xiàn)

　　3.1 USB接口部分

　　設(shè)備采用Holtek公司的8位USB多媒體鍵盤編碼器HT82K95E作為本系統(tǒng)的核心。鼠標(biāo)、鍵盤等HID類設(shè)備為低速設(shè)備，所以該設(shè)備要能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤數(shù)據(jù)同PC機(jī)的雙向傳輸，MCU首先必須具有低速的USB接口，并且支持3個(gè)端點(diǎn)(包括端點(diǎn)0)。綜合考慮，選用了HT82K95E作為本系統(tǒng)的主控芯片。由于鼠標(biāo)和鍵盤均屬于低速設(shè)備，所以應(yīng)在USB信號(hào)線上加1.5kΩ的上拉電阻。

　　3.2 MCU部分

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　　USB接口部分原理圖如圖4所示。MCU的復(fù)位電路采用由R1和C1組成的RC積分電路來實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能。上電瞬間，由于電容電壓不能突變，所以復(fù)位引腳為低電平，然后電容開始緩慢充電，復(fù)位引腳電位開始升高，最后變?yōu)楦唠娖?，完成芯片的上電?fù)位。HT82K95E微控制器內(nèi)部還包含一個(gè)低電壓復(fù)位電路(LVR)用于監(jiān)視設(shè)備的供電電壓。如果設(shè)備的供電電壓下降到0.9VLVR的范圍內(nèi)并且超過1 ms的時(shí)間。那么LVR就會(huì)自動(dòng)復(fù)位設(shè)備。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是，對于該設(shè)備的復(fù)位電路，還應(yīng)加一個(gè)BAT54SW二極管，接法如圖4中D1所示。如果不加D1，設(shè)備在第一次使用時(shí)能夠正常復(fù)位，但在以后的使用中卻無法正常復(fù)位，原因是電容中的電荷無法釋放掉，而D1可以通過整個(gè)電路快速釋放掉電容中的電荷。

　　該組合設(shè)備采用HT82K95E USB控制芯片，通過對兩個(gè)接口的管理，實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)和鍵盤的功能。

　　4 固件設(shè)計(jì)

　　USB固件程序是USB設(shè)備功能的核心。對于HID設(shè)備，其主要的功能設(shè)計(jì)都是在固件程序中進(jìn)行的。這里采用Holtek C語言進(jìn)行帶鍵盤的鼠標(biāo)組合設(shè)備的開發(fā)。

　　HT82K95E芯片的ROM空間是按頁(page)來劃分的，1頁為256個(gè)字。這樣，整個(gè)ROM空間正好劃分為若干連續(xù)的頁。單片機(jī)ROM中的任何區(qū)域都可以用來查表。在這里只介紹Holtek C中的一種查表指令：TABRDL[m]。該指令用于查ROM中最后1頁的數(shù)據(jù)。HT82K95E具有表指針寄存器TB HP，在使用TABRDL指令時(shí)，TBHP默認(rèn)為最后1頁的首址高位。通過查表，表格的低位字節(jié)送入[m]，高位字節(jié)送入TBLH寄存器。

　　在固件設(shè)計(jì)中，將描述符存儲(chǔ)在ROM的最后1頁，當(dāng)主機(jī)請求設(shè)備的各種描述符時(shí)，通過TABRDL指令將描述符從最后1頁取出，并傳送給主機(jī)，完成設(shè)備的枚舉過程。該組合設(shè)備的描述符在下面給出。

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　　ASM_CONFIG_LEN為配置描述符的大小，其值為配置描述符、接口描述符、HID描述符和端點(diǎn)描述符的大小的總和。ASM_ENTlTY_LEN_0為鼠標(biāo)報(bào)告描述符的大小，ASM_ENTITY_LEN_1為鍵盤報(bào)告描述符的大小。描述符中其他各項(xiàng)的意義在本文中不作詳細(xì)解釋，通過使用周立功公司的USB分析儀USBAnalyser，可分析出該組合設(shè)備的枚舉過程流程，如圖5所示。

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　　結(jié)語

　　在開發(fā)此組合設(shè)備的過程中，可以分別調(diào)試兩個(gè)接口，如果每個(gè)接口都可正確運(yùn)行，接著就可編寫兩個(gè)接口的描述符，實(shí)現(xiàn)組合設(shè)備的功能。組合設(shè)備對USB控制器可提供的端點(diǎn)數(shù)量和這些端點(diǎn)所支持的傳輸類型有所限制。USB控制器需較好的支持設(shè)備A和設(shè)備B間的傳輸協(xié)議。