摘要：提出一种基于LM3S316实现与PC机通信的方法。给出了硬件实现和软件设计思路。该方法使用微控制器来模拟USB设备，降低了功耗和成本。关键词：LM3S316； USB; PC USB（Universal Serial Bus）是一种通用串行总线，它为计算机与外设之间的数据通信提供了良好的解决方案。传输速度快、连接灵活、使用方便。特征。 USB作为一种新型高速总线接口，支持即插即用设备，可以为外设提供电源，并且易于扩展。因此，可广泛应用于打印机、扫描仪、大容量外部数据存储器、数码相机、高速数据采集等各种设备。现在市场上的USB设备大多采用专门的USB控制芯片来实现其应用程序控制。 USB协议集成在芯片中，成本比较高。本文提出了一种利用LM3S316微处理器与PC机通信来模拟USB从而降低成本的方法。 1 通用串行总线USB底层结构1.1 USB设备USB设备可以连接到PC机上的任意USB接口上，其物理接口结构如图1(a)所示。使用HUB还可以实现USB扩展，允许更多的USB设备连接到系统中。 USB HUB 有一个上游端口（连接到主机）和多个下游端口用于连接其他设备。 Host与USB设备的关系如图1(b)所示。 1.2 USB 物理信号USB 线共有4 根线。两侧突出的线为+5V电源线，另外2根线为数据线。如图2所示，VBUS为设备电源接线，电压为+5V，最大供电电流为500mA，为设备提供电源。具有过流保护、电源控制等功能。当USB设备插入接口时，先连接电源线，再连接数据线。当拔出USB设备时，先断开数据线，再断开电源线。这就是USB设备可以热插拔的原因之一。 USB总线在不使用时可以暂停，从而节省能源。 1.3 USB版本传统的USB通信协议包括USB1.1和USB2.0。 USB1.1版本的USB设备支持全速12Mb/s低速通信（1.5Mb/s）； USB2.0版本的USB设备支持高速通信（480 Mb/s）。由于USB2.0的通信速率太高，必须由单独的芯片控制，因此无法实现芯片模拟。 1.4 通信建立RS232（串行通信的另一种标准）的通信发起方可以从两端发起，而USB通信发起方总是在主机端（HOST），设备端总是响应主机的通信请求边。如果主机是PC，则每隔1ms向设备发起一次通信建立请求。设备收到访问自身的请求后，立即发起与主机的通信连接。 1.5 电气特性“D-是低速信号总线，D+是高速信号总线”的说法是不准确的，因为USB信号总线是平衡差分的，与485总线类似。所谓“D-是低速信号总线”，是指对于低速设备（如鼠标、键盘），D-线在USB设备端增加1.5 k的上拉电阻。相反，对于全速设备（如USB闪存驱动器、打印机、扫描仪），请在D+信号线上添加1.5 k的上拉电阻。 1.6 NRZI编码和位填充由于USB总线没有同步时钟信号线，如果想在主机和设备之间建立良好的通信同步效果，只能从数据序列中提取同步时钟。与RS232串口通信类似，USB通信的建立也有启动信息。 RS232是起始位，USB起始位有8位，称为同步域（或段）。格式为01010100。由于RS232的通信速率较低，只要两端时钟同步不超过5%即可实现良好的通信。然而，最低USB通信速率大于1Mb/s，时钟同步要求更加严格。而且USB数据包中的每个字节并没有像RS232那样有起始位（只有同步在头部）。区域）。
鉴于此，USB通信时必须从数据包的比特序列中提取同步信息。想象一下，如果数据包序列中的数据位全部为逻辑“1”或全部为逻辑“0”，芯片就无法提取同步信息。为此，需要一种高效的编码方案，于是就有了NRZI和比特填充的概念。什么是NRZI？如图3 所示，NRZI 是非“1”转换。 NRZI编码方式会遇到一个严重的问题，就是如果一长串连续的“1”会造成电平跳变，逐渐累加，造成机器折叠，最终失去同步信号，造成读取计时发生严重错误。因此，NRZI编码之间需要进行所谓的比特填充工作。连续传输6 个“1”位会强制将转换添加到NRZI 编码数据流中。这确保接收器可以在每个7 位时间间隔内检测到至少一次转换，从而使接收器与传输的数据保持同步。图4 说明了位填充的工作原理。 1.7 USB通讯模式4种传输模式：控制（control）、同步（isochronous）、中断（interrupt）和批量（bulk）。其中，中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据需要传输。设备端点模式的结构决定了其查询频率。这种传输方式通常用于传输小量、分散且不可预测的数据。键盘、操纵杆和鼠标都属于这一类。中断模式传输是单向的，对于主机来说只有输入模式。 1.8 数据包的概念最小的USB 数据块称为数据包，它包括同步信号、数据包ID、CRC 和传输的数据。 1.9 端点端点也可以称为设备终端。每个USB设备（USB芯片）可以有1到16个端点。与USB芯片相比，通信时各端点传输的数据包的大小和传输方式不同，芯片内数据缓冲区的地址也发生变化。 2 LM3S316 控制器Luminary Micro StellarisTM 系列微控制器是首款基于ARM CortexTM-M3 的控制器，它将高性能32 位计算引入对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。这些开创性的器件以与8 位和16 位器件相同的价格为用户提供了32 位器件的性能，并且全部采用小型封装。 Stellaris系列的LM3S316微控制器具有ARM微控制器的诸多优点，如广泛使用的开发工具、片上系统(SoC)底层结构IP的应用以及庞大的用户基础等。此外，该控制器还采用ARM的Thumb兼容Thumb-2指令集，以减少内存需求，从而降低成本。与早期的ARM7相比，它具有更低的功耗、更小的中断延迟、更快的代码执行速度和更低的价格。 LM3S316微控制器具有以下特点：（1）32位RISC性能； (2) 内部16 KB单周期Flash存储器，4 KB单周期SRAM； (3) 3个通用定时器； (4)同步串行接口(SCI)； (5) 串行UART接口； (6) 3个独立的模拟比较器； (7) 脉宽调制； (8) 3至36个可配置GPIO，每个GPIO可配置为边沿或电平触发中断； (9) 48 引脚LQFP 封装。 3 实现原理由于LM3S316 控制器的每个GPIO 都可以配置为中断引脚，因此本应用中只需使用同一端口的两个相邻引脚来模拟USB D+ 和D-，如图5 所示。 4 软件设计USB总线是轮询总线，主机控制端口初始化所有数据传输。每个总线执行操作最多传输3 个数据包。
根据传输之前建立的原则，在每次传输开始时，主机控制器发送一个USB数据包，描述传输操作的类型、方向、USB设备地址和终端号。该数据包通常称为令牌包。 ）。 USB设备从解码后的数据包中的适当位置取出自己的数据。数据传输的方向要么是从主机到设备，要么是从设备到主机。在传输开始时，使用标志包来标记数据传输的方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或指示没有数据传输。接收端还需要发送握手包来表明传输是否成功。发送方和接收方之间的USB数据传输可以看作是主机和设备端口之间的通道。事务预处理允许对某些数据流的通道进行控制，从而防止在硬件层面高估或低估缓冲区，并通过发送未确认的握手信号来阻塞数据传输速度。当发送未确认信号时，如果总线空闲，则重新进行数据传输。这种流控机制可以灵活安排任务，让不同性质的流道同时正常工作。这样，多个流通常可以以不同的间隔工作并传输不同大小的数据包。 LM3S316芯片使用2个GPIO中断来监控USB总线。当USB总线从空闲状态变为传输状态，即总线由主机和同步域（SYN）发起时，LM3S316进入USB接收程序。同步阶段被跳过，接收到的第一个字节是PID 字段（数据包标识类型）。该字段的低4 位描述数据包类型方向（IN 或OUT），接下来的7 位表示设备地址，然后是4 位端点编号索引。 LM3S316根据设备地址判断主机向设备发起的请求。如果是，则根据数据包的类型决定继续接收数据或向主机发送数据。 OUT类型数据的最后5到16位是CRC校验（CRC位数根据配置确定）。对于IN类型，LM3S316将准备好的数据与CRC校验数据一起发送到主机。数据传输阶段完成后，主机或设备必须发回ACK响应以确认传输成功。使用LM3S316控制器模拟USB设备的方法极大方便了用户开发，同时降低了功耗和成本。该方法在USB读卡器、USB编程器、USB接口转换为RS232等方面具有良好的应用前景。参考文献[1]Micro 2005. LM3S316 datasheet.http://www.zlgmcu.com/luminary/stellaris/lm3S316_ds_cn.pdf.2008.[ 2]USB技术百科全书（电子教程）。http://d.download.csdm.net/down/374639/deepbluesean.2007。[3]郭友民，王杰，孙其国。基于嵌入式微处理器S3C44B0X的USB通信[J].微机信息，2008(1-2)：21-23。 [4] 肖玉雄. USB系统结构及应用设计[OL].纸天下纸网，http://www.lunwentianxia.am/product.free.6096001.2007.11。
