USB主机在嵌入式系统中的应用

论文摘要

嵌入式USB主机技术作为一项USB领域新的发展技术,最近两年,得到越来越多的关注,目前,USB主机的角色大多数情况下都是由PC机担当,随着USB设备数量的不断扩大以及USB设备形式的不断丰富,人们希望能在嵌入式系统中实现USB数据传输。同时,在工业控制领域中,嵌入式单片机系统广泛存在,其中大部分还是通过串口RS-232进行数据通信。在上述背景下,本文研究在嵌入式单片机系统中,如何实现串口设备与U盘之间进行文件传输的通信过程,在硬件设计上,考虑以简单的系统实现复杂的USB数据传输为切入点,选用CH375作为USB主机接口芯片,8位单片机SST89E58作为控制CPU,加上扩展模块构成了简单的硬件系统。本文主要从软件上剖析了本系统功能的实现:认真研究了USB协议,对USB体系结构、数据通信模型、USB协议栈设备框架、USB标准描述符等进行了深入分析。仔细研究了主控制器驱动程序,建立了CH375与单片机之间的底层通信机制。基于MassStorage类协议UFI子类指令集,实现了Bulk-Only单批量数据传输。创建简单的FAT文件系统,解决了U盘与RS-232串口设备间双向文件数据传输的问题。本文还详细说明了WDM型USB设备驱动程序开发过程,并开发了本系统PC端的通信界面,以便于系统的调试与功能测试环节。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 USB总线、RS-232串行接口特点及应用前景
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 课题主要研究内容
• 2 USB总线协议分析及串口通信简介
• 2.1 USB体系结构
• 2.2 USB机械电气特性
• 2.3 USB数据通信结构
• 2.3.1 USB数据通信概述
• 2.3.2 域的格式
• 2.3.3 包的格式
• 2.3.4 USB数据传输类型
• 2.4 USB设备构架
• 2.4.1 标准设备描述符
• 2.4.2 标准的USB设备请求命令
• 2.5 USB主机
• 2.6 串口通信协议
• 2.6.1 RS-232接口标准
• 2.6.2 串口通信方式
• 2.7 小结
• 3 USB主机系统的整体规划和硬件设计
• 3.1 系统整体方案选定
• 3.1.1 使用OTG技术
• 3.1.2 利用高性能的嵌入式微处理器
• 3.1.3 MCU+USB主控制器芯片实现
• 3.2 MCU与USB主控制器芯片的选型
• 3.3 USB主机系统的硬件设计
• 3.3.1 USB主控制器芯片CH375
• 3.3.2 微控制器SST89E58
• 3.3.3 系统硬件设计框架
• 3.4 小结
• 4 USB主机软件设计
• 4.1 USB主机软件设计框架
• 4.2 CH375主机芯片的初始化及其主控制器驱动程序设计
• 4.2.1 底层数据包的传送机制
• 4.2.2 主控制器驱动程序设计
• 4.2.3 CH375初始化和CH375程序库的初始化
• 4.3 构建USB协议的通信结构和Mass Storage类协议
• 4.3.1 执行处理事务
• 4.3.2 控制传输的实现
• 4.3.3 批量传输的实现及Mass Storage类协议的构建
• 4.4 创建简化的FAT16文件系统
• 4.5 小结
• 5 应用程序设计及系统测试
• 5.1 Windows设备驱动程序设计
• 5.1.1 WDM驱动程序简介
• 5.1.2 选择开发工具
• 5.1.3 建立WDM驱动程序编程环境
• 5.1.4 创建USB设备驱动程序
• 5.2 RS232串口数据的通信
• 5.2.1 串口的初始化
• 5.2.2 串口数据的收发
• 5.2.3 USB主机的文件操作
• 5.2.4 串行通信程序嵌入到USB主机通信程序
• 5.3 系统的调试与测试
• 5.4 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录