增加USB通信功能 - 為嵌入式應用增加USB功能的設計考慮

　　由于HID設備類具有靈活性和總吞吐能力，且無需安裝驅動程序，因此這類設備正作為嵌入式系統(tǒng)的常規(guī)連接選擇方案而獲得業(yè)界認可。由于HID設備類本身受多數(shù)操作系統(tǒng)支持，因此無需開發(fā)驅動程序。終端用戶直接將其插入設備中即可開始使用，而無需安裝驅動程序。在上述USB轉UART VCP實例中，橋接設備可用HID USB轉UART設備替代(圖2)。

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　　HID橋接器的大多數(shù)設計考慮因素都與上述VCP橋接器實例相同，但是HID與VCP USB轉UART橋接器實例在設計上略有不同。通過HID配置，橋接設備的吞吐能力限制為最大HID吞吐能力，即64KBps。此外，此設備不作為USB主機的COM端口，而是作為HID類設備。HID固定功能通信橋接器可為希望在向系統(tǒng)增加USB通信功能時最大程度地縮短總USB開發(fā)時間的開發(fā)人員提供直接替代方案。如果對于一個應用而言，固定功能USB通信橋接器的吞吐能力或常規(guī)功能不夠用，開發(fā)人員應考慮增加USB MCU。

　　USB MCU可提供USB通信接口的最大靈活性和控制，但需要大量設計工作。開發(fā)人員必須構建所有的USB固件，如果創(chuàng)建了非HID類設備，開發(fā)人員必須編寫設備驅動程序。這需要一些USB方面的經(jīng)驗，因為編寫USB固件和設備驅動程序并非小事一樁。由于所有MCU固件都可定制，因此USB MCU可在需要時執(zhí)行額外的任務。這提供了通信橋接器無法實現(xiàn)的更高靈活性。例如，如果USB MCU具有模數(shù)轉換器(ADC)，開發(fā)人員可增加固件來配置ADC并在需要時進行測量。USB描述符在固件中也是可以完全定制的。USB主機在枚舉過程中通過從設備接收的描述符來確定設備是HID設備還是非HID設備。

　　使用USB MCU時，USB通信可提供與目標系統(tǒng)的直接連接，系統(tǒng)可以基于USB MCU來構建(圖3)。除了更長的開發(fā)時間之外，開發(fā)人員還需考慮所需的吞吐能力。HID類設備的吞吐能力限制是64KBps(即512Kbps)。非HID類設備的吞吐能力限制為12Mbps(即12，000Kbps)。與HID設備相比，非HID類設備可以實現(xiàn)更高的吞吐能力，但是也需要開發(fā)定制驅動程序，終端用戶則需要安裝驅動程序。這就增加了應用的總開發(fā)時間。使用配置HID的USB MCU可以避免開發(fā)和安裝驅動程序，但是前提是HID的吞吐能力能夠滿足應用的要求。

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　　創(chuàng)建包含USB MCU的系統(tǒng)可以靈活地更改設計的各個方面，從而根據(jù)要求組合最佳的USB解決方案。例如，開發(fā)人員在設計通過USB通信向主機發(fā)送測量數(shù)據(jù)的醫(yī)療設備時可以更改USB MCU數(shù)據(jù)傳遞類型，以滿足所需的USB MCU解決方案的吞吐能力限制，或者實現(xiàn)多接口設備，比如帶同步HID接口的設備。設計新的USB應用時，開發(fā)人員可對每個USB選擇方案的要求進行分析，然后選擇最適合的方案。我們接下來探討如何通過USB通信升級傳統(tǒng)設計。

　　開發(fā)人員通過 USB 通信升級傳統(tǒng)系統(tǒng)時可在為新設計提供的四個方案中任選一個，但是必須選擇適合現(xiàn)有應用的USB解決方案，而不是設計一個適合USB解決方案的應用。此時，開發(fā)人員需考慮當前的通信方法、所需的USB數(shù)據(jù)吞吐能力和可供附加元器件使用的PCB空間。傳統(tǒng)設計擁有成熟的與主機系統(tǒng)的通信方法。如果橋接設備中提供用于與主機通信的接口，那么增加固定功能USB通信橋接器是唯一的選擇方案。在多數(shù)應用中，這種接口為UART接口。對于這些應用，可在設計中增加USB轉UART通信橋接芯片。圖4顯示了如何使增加的橋接設備適合傳統(tǒng)設計。

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　　從硬件層面看，現(xiàn)有的PCB需進行重新設計，以使USB設備和USB連接器適合現(xiàn)有的電路板。從軟件層面看，USB轉UART設備的制造商一般會為開發(fā)人員提供VCP驅動程序，因此無需開發(fā)驅動程序。在這個實例中，橋接設備的吞吐能力限制是UART接口的波特率。只要橋接設備能夠支持應用所需的波特率，吞吐能力就不存在問題。設備將仍作為USB主機的COM端口，這樣傳統(tǒng)主機應用不需要進行修改即可正常工作。傳統(tǒng)設計與升級的設計之間的主要區(qū)別在于通過USB提供與主機的接口以及需要終端用戶安裝驅動程序。

　　如果需要無驅動程序的選擇方案，HID固定功能USB通信橋接器就是一個可能的解決方案。選擇此方案時，其設計考慮因素與VCP固定功能通信橋接器的考慮因素相同，但是此橋接器的吞吐能力限定為64KBps，這是最高HID吞吐能力。在上述傳統(tǒng)設計升級的實例中，開發(fā)人員可以使用HID USB轉UART橋接器，但是設備不作為主機系統(tǒng)的COM端口，而是作為HID。這樣，傳統(tǒng)主機應用如不進行修改將無法正常工作。盡管此解決方案無需安裝驅動程序，但是現(xiàn)有的主機應用需進行修改后才能與HID OS 應用程序編程接口(API)通信，而不是與COM端口API通信。固定功能USB通信橋接器是大多數(shù)傳統(tǒng)設計升級的理想選擇，因為它們可以為在設計中增加USB通信提供最簡單的解決方案，且無需USB專門知識。

　　對于需要更高吞吐能力、額外功能或定制USB固件的傳統(tǒng)設計，USB MCU是最佳選擇。新設計方案的許多設計考慮因素都適用于此方案。由于開發(fā)人員必須編寫所有的USB固件，因此該選擇方案需要一定的USB專門知識。VCP USB設備還需開發(fā)和安裝驅動程序。USB MCU必須具有通過GPIO引腳或系統(tǒng)管理總線(SMBus)或SPI等外設接口與現(xiàn)有傳統(tǒng)應用進行通信的途徑(圖5)。

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　　此外，需通過增加額外元器件對現(xiàn)有PCB進行重新設計。若開發(fā)人員所需的吞吐能力比橋接設備所能實現(xiàn)的吞吐能力高或者使用橋接設備無法實現(xiàn)的通信方法，使用USB MCU升級傳統(tǒng)應用是最佳選擇。

　　選擇在設計中增加固定功能通信橋還是增加USB MCU，取決于目標應用、開發(fā)人員的USB經(jīng)驗和開發(fā)時間。使用USB MCU可提供最高的靈活性，但也需要USB專門知識，并且可能需要開發(fā)驅動程序。選擇固定功能USB通信橋接器無需任何USB固件，也不需要開發(fā)驅動程序，這樣就縮短了總開發(fā)時間。這是在系統(tǒng)中增加USB只進行極少的重新設計的最簡單方法。

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　　在系統(tǒng)中增加USB功能可以實現(xiàn)與各種USB主機設備的通信，同時能以一根數(shù)據(jù)線增加500mA的電源方案，因此可為應用帶來方便和靈活性。小型USB MCU和固定功能USB通信橋接器可為在新設計或傳統(tǒng)系統(tǒng)中增加USB通信功能提供極具成本效益的方案。