用MC68HC05JB4開發(fā)USB外設

當今的計算機外部設備，都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)總線協(xié)議，專用于低、中速的計算機外設。目前，USB端口已成為微機主板的標準端口；而在不久的將來，所有的微機外設，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、數(shù)字相機、掃描儀和游戲柄等等，都將通過USB與主機相連。
　　作為一個硬件廠商或是開發(fā)者，最關(guān)心的便是如何去開發(fā)USB外設。MOTOROLA公司從1996年開始，陸續(xù)推出了一系列支持USB總線協(xié)議的單片機，如最早的用于顯示器的68HC05BD9A，用于鼠標的68HC05JB2，以及用于集線器(HUB)的MC141555等等。這些芯片共同的特點是都內(nèi)含一個USB模塊，通過這個模塊，用戶可以很方便地實現(xiàn)USB總線上的數(shù)據(jù)通訊。68HC05JB4最初是用于開發(fā)USB游戲桿的，后來也常被用于其他一些USB外設的開發(fā)，比如USB手寫板等等。它除了含有USB接口以外，還有6路8位A/D變換輸入端，4路鍵盤中斷掃描用輸入端，并可最多同時開啟19個I/O端口。
　　我們設計的USB漢字手寫板，采用國內(nèi)漢王公司的傳感器獲得筆畫信息，傳給MC68HC05JB4，經(jīng)過整理后通過USB總線發(fā)送到PC，再由我們編寫的驅(qū)動程序接收，最終轉(zhuǎn)給漢王的文字識別軟件識別。
1 USB總線系統(tǒng)硬件連接
　　USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源，如圖1所示。

其中D+和D－是一對差模的信號線，而VBus和GND則提供了+5V的電源，它可以給一些設備(包括Hub)供電。USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率：一種是12Mb的高速(full speed)模式，另一種是1.5Mb的低速模式，這兩種模式可以同時存在于一個USB系統(tǒng)中(注：在新發(fā)布的2.0協(xié)議版本中，高速模式被定義為120～240M)。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5m；而在低速模式時可以使用非屏蔽電纜，甚至是非雙絞線，但最長不能超過3m。為了與電纜阻抗匹配，在電纜的每一端都使用了非平衡終端匹配電阻。該電阻也保證了能夠檢測外設與端口的連接或分離，并且可以區(qū)分高速與低速設備。
　　68HC05JB4只支持低速USB外設。它提供了兩個端口分別與電纜的D+、D－相連；同時提供了一個3.3V的參考電壓與D－相連。典型連接如圖2。圖中電阻電容的參數(shù)是我們在USB手寫板中采用的數(shù)值，其中1.5kΩ的電阻要求較高，阻值范圍必須是1.5kΩ±5%。由于電纜長度有限，類似電纜負載之類的工作就不再需要開發(fā)者去考慮了。

2 USB總線系統(tǒng)軟件設計
　　USB設備的軟件功能主要有兩點：一是監(jiān)視設備的狀態(tài)，自動產(chǎn)生狀態(tài)信息和用戶命令信息；一是完成主機與設備之間的USB總線通訊，自動處理主機的控制和查詢命令。
　　前一功能與設備的具體工作方式有關(guān)，與一般非USB設備的實現(xiàn)方法大體一致。唯一的區(qū)別是開發(fā)者需要預先定義設備所屬的類別和使用的協(xié)議。原因是，USB協(xié)議將設備分為不同的類型，每個設備類型都定義了類似功能設備的共同行為和協(xié)議。例如HID(Human Interface Device)人機接口設備主要指用于人控制計算機系統(tǒng)操作的器件，而電源設備(Power Device)則被定位為HID的子系統(tǒng)之一。對設備進行分類是為了消除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(PC)對設備進行方便、統(tǒng)一的管理。相同類型的設備都由一組標準定義的功能模塊組成。這樣主機與USB設備之間的通信就可以通過一些標準格式的數(shù)據(jù)包來完成。USB開發(fā)者論壇發(fā)布了一系列USB設備的類型定義，并配以相應的使用說明。如果開發(fā)者需要了解HID及其子類設備，可以查閱參考文獻[2][3]。
　　開發(fā)者還應考慮的是主機的工作平臺，比如Windows 98/NT、Unix等等，原因是不同的系統(tǒng)對不同的設備的支持程度不同。例如在Windows 98下，系統(tǒng)除了提供通用的USB設備的底層驅(qū)動以外，還單獨提供了少數(shù)HID設備(如鼠標)的完整驅(qū)動，也就是說，開發(fā)者如果想實現(xiàn)一個USB鼠標，是不需要在Windows 98下開發(fā)自己的驅(qū)動程序的，而如果想實現(xiàn)一個USB手寫板，就必須在通用的底層驅(qū)動基礎上開發(fā)自己的設備驅(qū)動程序。所以設備類型的定義也直接影響開發(fā)的難度和時間。
　　后一個功能的實現(xiàn)較為困難。USB總線上傳遞的信息有兩種：一是由數(shù)據(jù)線的差分信號傳遞的三種包(令牌包、數(shù)據(jù)包和應答包)；一是經(jīng)過定義的特殊的數(shù)據(jù)線信號，如復位信號、喚醒信號和包結(jié)束(EOP)信號等。對于低速設備，USB還定義了兩種總線操作方式：控制傳輸(用于主機設置設備和獲取狀態(tài))和中斷傳輸(用于工作信息的傳輸)。
　　MC68HC05JB4中的USB模塊提供了3個端點，其中端點0通過控制傳輸與主機通訊，而端點1和端點2則使用中斷傳輸。用戶可以近似地把端點0看作是設備的控制和狀態(tài)寄存器，而端點1和端點2則是設備的兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。對應于3個端點，68HC05JB4提供了3個控制寄存器，2個中斷寄存器(端點1和端點2共用1個)，同時為端點0提供了8個數(shù)據(jù)發(fā)送/接收寄存器，為端點1和端點2提供了8個共用的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器。其他在USB模塊中提供的寄存器還包括一個地址寄存器和一個狀態(tài)寄存器。
　　軟件開發(fā)的主要工作是編寫USB的中斷服務例程，其功能是處理USB發(fā)送/接收的不同的通訊信息(如令牌、數(shù)據(jù)或應答等)，再從端點0獲得主機的控制信息，或是向端點0發(fā)送設備的狀態(tài)信息，以及向端點1或端點2發(fā)送完整的數(shù)據(jù)報告等。根據(jù)設備類型的不同，主機發(fā)送的控制信息的種類和數(shù)量都會不同。例如，USB手寫板屬于HID設備，在響應主機命令的時候，除了需要處理普通的USB命令(如Set Address、Set/Get/Clear Feature和Get Status等等)以外，還需要處理HID設備特定的一些命令，如Set/Get Report、Set/Get Idle和Set/Get Protocol等等。關(guān)于USB模塊的各個寄存器的使用方法，MOTOROLA也提供了一些范例，開發(fā)者可以參照學習。
　　開發(fā)者還應注意的是設備的掛起(休眠)和喚醒功能。USB協(xié)議規(guī)定，當總線處于空閑狀態(tài)超過3ms時，設備必須進入掛起狀態(tài)，而掛起的設備從總線上吸收的電流必須小于500μA。68HC05JB4的掛起可以通過設置USB端點0的中斷寄存器中的掛起標志位來實現(xiàn)。
　　但設備的掛起對設備的工作往往有不利的影響。協(xié)議規(guī)定的500μA包括了主機端的電纜終端匹配電阻的電流(通常為220μA)，所以對于使用總線電源的設備而言，進入掛起狀態(tài)通常便意味著總電流消耗不能超過280mA，這實際上是要求68HC05JB4進入STOP模式。開發(fā)者如果需要設備不進入掛起狀態(tài)，通常有兩種方法。一種是通過主機周期性地向設備發(fā)送包結(jié)束(EOP)信號，間隔時間小于3ms，這樣設備將永遠處于正常狀態(tài)；另一種方法是在設備掛起時喚醒它，既可以由主機發(fā)送喚醒或復位信號，也可以由設備自行遠程喚醒，具體的實現(xiàn)方法是由設備向主機發(fā)出遠程喚醒信號，在主機認可后設備即結(jié)束掛起狀態(tài)。開發(fā)者可以在68HC05JB4的外中斷端口上連接RC電路，在設備進入掛起狀態(tài)時利用電路的充放電時間產(chǎn)生滯后的外中斷信號，再在中斷發(fā)生時向主機發(fā)送遠程喚醒信號，就可以自動恢復到正常的狀態(tài)。
　　圖3是根據(jù)我們編寫的USB手寫板的程序精簡出來的一個典型的程序流圖，開發(fā)者可以參考編寫不同設備的代碼。正如上文所述，最關(guān)鍵、也是最困難的，還是中斷處理程序的編寫，開發(fā)者需要格外重視。

3 USB設備的測試
　　在設備的軟件調(diào)試過程中，開發(fā)者往往需要觀察設備發(fā)往主機的數(shù)據(jù)，包括設備的狀態(tài)和設置信息，以及正常工作時發(fā)送的數(shù)據(jù)包等等。如果開發(fā)者需要捕捉USB總線上的信息，必須使用價格昂貴的專用設備。而如果開發(fā)者使用68HC05JB4，就不用再擔心總線信號是否正常，只需在主機端觀察主機接收的數(shù)據(jù)即可。USB開發(fā)者組織在他們的互聯(lián)網(wǎng)站點[1]上提供了一個在主機端測試HID設備的軟件包――USB Compliance Test Suite，通過運行其中的程序，開發(fā)者可以很方便地向設備發(fā)送各種USB和HID的協(xié)議命令，并接收設備的數(shù)據(jù)，從而對設備的工作狀態(tài)作出判斷。
　　開發(fā)者同樣可以編寫自己的主機端驅(qū)動程序，對USB設備進行調(diào)試和檢驗。有關(guān)主機端驅(qū)動程序的編寫方法，請參閱近期相關(guān)文章“WINDOWS 98 下USB設備驅(qū)動程序的開發(fā)”。
　　總之，USB總線及設備是計算機技術(shù)高速發(fā)展的必然產(chǎn)物，是微機外設的發(fā)展趨勢。國外市場上的USB產(chǎn)品已經(jīng)很多了，但大都局限在少數(shù)幾類設備上。國內(nèi)在1999年初才陸續(xù)出現(xiàn)了USB攝像頭等少數(shù)幾樣產(chǎn)品，且都是從臺灣引進的。相對于其他計算機設備而言，國外產(chǎn)品在USB設備方面的市場競爭優(yōu)勢并不明顯，USB設備應該是國內(nèi)硬件產(chǎn)品發(fā)展的重要方向之一。