如何通过USB通信来升级传统设计

设计具有通用串行总线(USB)通信功能的利用可使系统能够经由过程各类USB主机设备进行通信,并经由过程USB连接供给方便的电源选择规划。如今的打印机、手机、数码相机、媒体播放机、外部硬盘驱动器和游戏机都采纳USB协议传输数据。经由过程一条数据线同时供给电源和数据通信功能可以给利用带来方便和机动性。USB通信可以设计成新系统或者增添到传统系统中,经由过程增添固定功能USB通信桥接器或者带定制USB固件的USB微节制器(MCU)来更新传统系统。

各类USB开拓选择规划的主要协调身分在于数据吞吐能力与开拓光阴以及是否必要USB专门常识来实现。小型USB MCU和固定功能USB通信桥接器可为在设计中增添USB通信功能供给一种极具资源效益的办理规划。USB通信接口包括四个旌旗灯号:D+、D-、接地旌旗灯号和VBUS。D+和D-旌旗灯号为差分数据线路,VBUS旌旗灯号是由USB主机设备供给的5V线路。VBUS旌旗灯号用于唆使USB端口中的USB数据线是否存在,然则它还能经由过程供电集线器向系统供给高达500mA的电源或者经由过程非供电集线器向系统供给100mA的电源。

带5V至3V片上稳压器的MCU或固定功能USB通信桥接器可经由过程稳压器输出来给全部利用供电。此规格还支持各类不合尺寸和外形的USB连接器,包括标准、迷你和微型连接器。各类USB连接器尺寸给开拓职员供给了诸多在利用中集成USB通信功能的选择规划。

此外,此USB规格还支持单个总线连接多达127个设备,并支持各类设备种别,包括人机接口设备(HID)类,这类设备本身就受大年夜多半操作系统支持,并且不必要安装驱动法度榜样。主机在罗列历程中确定相连的USB设备的类型。将USB设备插入主机后,USB设备将唆使设备类型和要加载的驱动法度榜样的描述符发送给主机。

开拓职员可以进级传统系统以增添USB连接,也可以从头开始设计包孕USB的新系统。USB MCU或固定功能USB桥接器可以同时满意这两种规划。表1列出了在系统中增添USB通信功能的四种选择规划以及对开拓职员和终端用户的要求。

选择USB通信选择规划取决于几个身分,包括开拓职员是进级现有系统照样创建新系统。这里我们首先阐述若何设计具有USB功能的新系统。

开拓职员在创建新系统时可以机动选择增添USB通信功能的最佳措施。他们可以USB MCU或固定功能USB通信桥接器为中间进行系统的设计,然后为得当USB办理规划而对系统的各个方面进行变动。例如,最初的印制电路板PCB)设计将包孕USB设备和USB连接器等所有必需的元器件电路板设计职员可以根据必要对它们进行从新设置设置设备摆设摆设。此外,USB通信与系统的连接措施不受限定,开拓职员可从上表中的四个USB通信选择规划中随意率性选择。

要在新系统中增添USB通信功能,固定功能USB通信桥接器可供给最简单的办理规划来,然则其机动性最低。它们可作为HID或非HID固定功能USB通信桥接器供给,如USB转UART虚拟COM端口(VCP)桥接器。应用这些通信桥接器时,因为不必要开拓USB固件和驱动法度榜样,是以USB专门常识不是必需的。对付非HID类设备而言,制造商为不受支持的操作系统供给必需的驱动法度榜样。此外,制造商每每还供给动态链接库(DLL),为开拓USB主机利用供给赞助。无需开拓USB固件、DLL和驱动法度榜样可以缩短利用的面市光阴。借助这种技巧,USB接口不直接与目标系统连接,而是另一种桥接设备接口比如UART、串行外设接口(SPI)或内置集成电路I2C),直接与目标利用连接。USB转UART VCP桥接器(图1)经由过程UART接口与目标系统通信。

开拓职员采纳这种选择规划为系统增添USB通信功能时必须确保目标系统能够经由过程UART接口进行通信,同时斟酌桥接设备的吞吐能力,该能力每每受UART通信速率限定。此外,开拓职员需向终端用户供给驱动法度榜样和驱动法度榜样安装包。终端用户需安装驱动法度榜样才能应用该设备。在这个实例中,桥接设备作为USB主机系统的COM端口。必要固定功能USB通信桥接器(无需安装主机端驱动法度榜样)的开拓职员应斟酌HID通信桥接器。

因为HID设备类具有机动性和总吞吐能力,且无需安装驱动法度榜样,是以这类设备正作为嵌入式系统的老例连接选择规划而得到业界认可。因为HID设备类本身受多半操作系统支持,是以无需开拓驱动法度榜样。终端用户直接将其插入设备中即可开始应用,而无需安装驱动法度榜样。在上述USB转UART VCP实例中,桥接设备可用HID USB转UART设备替代(图2)。

HID桥接器的大年夜多半设计斟酌身分都与上述VCP桥接器实例相同,然则HID与VCP USB转UART桥接器实例在设计上略有不合。经由过程HID设置设置设备摆设摆设,桥接设备的吞吐能力限定为最大年夜HID吞吐能力,即64KBps。此外,此设备不作为USB主机的COM端口,而是作为HID类设备。HID固定功能通信桥接器可为盼望在向系统增添USB通信功能时最大年夜程度地缩短总USB开拓光阴的开拓职员供给直接替代规划。假如对付一个利用而言,固定功能USB通信桥接器的吞吐能力或老例功能不敷用,开拓职员应斟酌增添USB MCU。

USB MCU可供给USB通信接口的最大年夜机动性和节制,但必要大年夜量设计事情。开拓职员必须构建所有的USB固件,假如创建了非HID类设备,开拓职员必须编写设备驱动法度榜样。这必要一些USB方面的履历,由于编写USB固件和设备驱动法度榜样并非小事一桩。因为所有MCU固件都可定制,是以USB MCU可在必要时履行额外的义务。这供给了通信桥接器无法实现的更高机动性。例如,假如USB MCU具有模数转换器ADC),开拓职员可增添固件来设置设置设备摆设摆设ADC并在必要时进行丈量。USB描述符在固件中也是可以完全定制的。USB主机在罗列历程中经由过程从设备接管的描述符来确定设备是HID设备照样非HID设备。

应用USB MCU时,USB通信可供给与目标系统的直接连接,系统可以基于USB MCU来构建(图3)。除了更长的开拓光阴之外,开拓职员还需斟酌所需的吞吐能力。HID类设备的吞吐能力限定是64KBps(即512Kbps)。非HID类设备的吞吐能力限定为12Mbps(即12,000Kbps)。与HID设备比拟,非HID类设备可以实现更高的吞吐能力,然则也必要开拓定制驱动法度榜样,终端用户则必要安装驱动法度榜样。这就增添了利用的总开拓光阴。应用设置设置设备摆设摆设HID的USB MCU可以避免开拓和安装驱动法度榜样,然则条件是HID的吞吐能力能够满意利用的要求。

创建包孕USB MCU的系统可以机动地变动设计的各个方面,从而根据要求组合最佳的USB办理规划。例如,开拓职员在设计经由过程USB通信向主机发送丈量数据的医疗设备时可以变动USB MCU数据通报类型,以满意所需的USB MCU办理规划的吞吐能力限定,或者实现多接口设备,比如携同步HID接口的设备。设计新的USB利用时,开拓职员可对每个USB选择规划的要求进行阐发,然后选择最得当的规划。

开拓职员经由过程USB通信进级传统系统时可在为新设计供给的四个规划中任选一个,然则必须选择得当现有利用的USB办理规划,而不是设计一个得当USB办理规划的利用。此时,开拓职员需斟酌当前的通信措施、所需的USB数据吞吐能力和可供附加元器件应用的PCB空间。传统设计拥有成熟的与主机系统的通信措施。假如桥接设备中供给用于与主机通信的接口,那么增添固定功能USB通信桥接器是独一的选择规划。在多半利用中,这种接口为UART接口。对付这些利用,可在设计中增添USB转UART通信桥接芯片。图4显示了若何使增添的桥接设备得当传统设计。

从硬件层面看,现有的PCB需进行从新设计,以使USB设备和USB连接器得当现有的电路板。从软件层面看,USB转UART设备的制造商一样平常会为开拓职员供给VCP驱动法度榜样,是以无需开拓驱动法度榜样。在这个实例中,桥接设备的吞吐能力限定是UART接口的波特率。只要桥接设备能够支持利用所需的波特率,吞吐能力就不存在问题。设备将仍作为USB主机的COM端口,这样传统主机利用不必要进行改动即可正常事情。传统设计与进级的设计之间的主要差别在于经由过程USB供给与主机的接口以及必要终端用户安装驱动法度榜样。

假如必要无驱动法度榜样的选择规划,HID固定功能USB通信桥接器便是一个可能的办理规划。选择此规划时,其设计斟酌身分与VCP固定功能通信桥接器的斟酌身分相同,然则此桥接器的吞吐能力限制为64KBps,这是最高HID吞吐能力。在上述传统设计进级的实例中,开拓职员可以应用HID USB转UART桥接器,然则设备不作为主机系统的COM端口,而是作为HID。这样,传统主机利用如不进行改动将无法正常事情。只管此办理规划无需安装驱动法度榜样,然则现有的主机利用需进行改动后才能与HID OS 利用法度榜样编程接口(API)通信,而不是与COM端口API通信。固定功能USB通信桥接器是大年夜多半传统设计进级的抱负选择,由于它们可以为在设计中增添USB通信供给最简单的办理规划,且无需USB专门常识。

对付必要更高吞吐能力、额外功能或定制USB固件的传统设计,USB MCU是最佳选择。新设计规划的许多设计斟酌身分都适用于此规划。因为开拓职员必须编写所有的USB固件,是以该选择规划必要必然的USB专门常识。VCP USB设备还需开拓和安装驱动法度榜样。USB MCU必须具有经由过程GPIO引脚或系统治理总线(SMBus)或SPI等外设接口与现有传统利用进行通信的道路(图5)。

此外,需经由过程增添额外元器件对现有PCB进行从新设计。若开拓职员所需的吞吐能力比桥接设备所能实现的吞吐能力高或者应用桥接设备无法实现的通信措施,应用USB MCU进级传统利用是最佳选择。

选择在设计中增添固定功能通信桥照样增添USB MCU,取决于目标利用、开拓职员的USB履历和开拓光阴。应用USB MCU可供给最高的机动性,但也必要USB专门常识,并且可能必要开拓驱动法度榜样。选择固定功能USB通信桥接器无需任何USB固件,也不必要开拓驱动法度榜样,这样就缩短了总开拓光阴。这是在系统中增添USB只进行极少的从新设计的最简单措施。

在系统中增添USB功能可以实现与各类USB主机设备的通信,同时能以一根数据线增添500mA的电源规划,是以可为利用带来方便和机动性。小型USB MCU和固定功能USB通信桥接器可为在新设计或传统系统中增添USB通信功能供给极具资源效益的规划。

滥觞;电子工程网

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