一种嵌入式USB MiniHost系统设计与实现

摘要：设计并实现了一个嵌入式USB主机系统的硬件和软件，用于解决USB设备不能脱离PC主机的问题。并在设计的硬件和软件基础上利用嵌入式C语言编制了具有USB Host功能通用固件库。并利用这个固件库实现一个具有并口到USB接口的打印转换器。
关键词：嵌入式系统；通用串行总线(USB)；USB主机；USB设备

在USB的拓扑机构中居于核心地位的是主机(Host)，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有USB设备都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大量扮演主机角色的是个人电脑PC。目前所买到和使用的USB设备基本都是只具备USB设备的功能而不具备主机功能，比如USB接口的移动硬盘、数码相机、打印机等。所有这些设备都只能在USB Host上使用，也就是通常只能通过PC来进行相互的文件和数据交换。没有了PC主机，这些设备是不能互联的。

1 USB系统模型和拓扑结构
最简单的USB系统模型组成是以USB主机为核心，以外围的USB设备为特定功能的设备模块。即USB提供的是主机和设备中间的一种数据通信服务。此外，为了构建更复杂的USB系统，还需要加上USB集线器(Hub)。
USB主机包括PC或嵌入式系统两种类型，每一次USB数据通信都必须是由USB主机来发起的(远程唤醒模式除外)，主机管理着每个USB设备。即使新兴的USB On-The-Go设备，其核心部分仍然是嵌入了USB主机的功能。本方案主要是基于嵌入式USB主机的USB系统模型。
USB的拓扑体系由3种元素组成：主机、Hub和设备，通过Hub的级联，构成了层次化的星形结构。USB的拓扑结构如图1所示。

2 硬件设计
2．1 电源电路
电源电路的组成如下：
系统采用双电压给电方式；触发器采用3．3 V给电；1284收发器采用5 V和3．3 V的双电压给电方式。在交流适配器中将干扰过滤后，提供5 V直流电压。3．3 V直流电压由固定输出电源模块来提供。电源系统结构如图2所示。

2．2 USB接口电路
为了给USB总线安全的提供电源，采用电源管理芯片，利用MCU来管理USB总线的电源。系统reset时，为了使与其连接的USB设备不进行误操作，关闭USB电源；总线电路异常而导致过流(over current)时，系统自动关闭电源并通知MCU。并且还采用压敏电阻(vatistor)来防止静电(ESD)；采用共模轭流线圈(Common Mode Choke Coil)来减少对总线差模数据的干扰。USB Host接口部分的电路如图3所示。