Pull to refresh

USB для AVR. Введение

Reading time 4 min
Views 88K

Речь пойдет об популярном интерфейсе USB, а именно как заюзать этот самый USB на простых микроконтроллерах AVR. Планирую написать несколько топиков с примерами кода и разъяснениями как со стороны микроконтроллера, так и со стороны компьютера. Конечно на просторах интернета полно всяческих примеров на данную тематику, но в лучшем случае это исходник в котором сам черт ногу сломит, да краткое, на страничку, его описание.

Начну с того, что ранее широко распространенные интерфейсы как COM, LPT, MIDI в настоящее время морально устарели, но ещё нередко присутствует на современных компьютерах и используется в промышленном и узкоспециализированном оборудовании. Так что для связи какой нибудь собственной железки с компьютером давно уже пора осваивать что-то другое. Как вариант ещё можно использовать всякие конверторы/переходники/эмуляторы, но они не всегда работают как оригинальный интерфейс, порождая массу проблем.

Всё хватит пустой болтовни, приступим к делу. Как использовать USB в собственных устройствах?

  • Можно взять микроконтроллер, который имеет аппаратную поддержку USB интерфейса (например AT90USB* ). Далее нужно знать как с ним работать и написать для него специальную прошивку. Ну и на последок также необходимо написать драйвер для компьютера, если ваше устройство не стандартного класса USB.
  • Использовать универсальный конвертор USB в «другой» интерфейс. В качестве «другого» может быть RS232, I2C,… При таком раскладе нам не нужно знать как работает USB, не нужно писать специальную прошивку и драйвер для компьютера. За нас всю работу делает конвертор, и как правило драйвер уже написан производителем конвертора.
  • Взять обычный микроконтроллер без аппаратной поддержки USB и программно эмулировать интерфейс USB. Тут возникает проблема в производительности нашего микроконтроллера. Скорость USB очень большая: LowSpeed — 1.5Mbit/s, FullSpeed — 12Mbit/s, HighSpeed — 480Mbit/s. Я вообще молчу за USB 3.0. Поэтому дома на коленке получится только LowSpeed USB, и то з некоторыми трудностями. Правда в большинстве случаев для самодельных устройств этого более чем достаточно.

Мы настоящие джедаи, поэтому пойдем по пути эмуляции. На данный момент уже существует три готовых проекта для программной эмуляции USB на микроконтроллерах AVR:

Проект от Igor Češko был первым, написан полностью на ассемблере и он послужил своего рода вдохновением для V-USB. На его основе сделан заслуживающий внимания универсальный ИК приемник для компьютера, а также множество других проектов. V-USB в свою очередь написан на C, правда с использованием ассемблерного кода в местах критических к производительности и точности эмуляции. USBtiny является производным от более ранней версии V-USB, имеет меньше возможностей из-за чего теоретически он проще для понимания.
image
Я остановился на реализации от V-USB, думаю вот основные преимущества:
  • V-USB опубликован на принципах GNU General Public License Version 2, так же имеется коммерческая лицензия
  • полная эмуляция USB 1.1 low-speed устройств за исключением обработки ошибок связи и электрических характеристик
  • запускается практически на всех AVR-ках, нужно минимум 2 килобайта флеша, 128 байт RAM и частота 12, 15, 16, 16.5 или 20 МГц.
  • V-USB предоставляет свободную пару идентификаторов (Vendor-ID и Product-ID)
  • хорошо задокументированный код на C, легче разбираться

image
Я в своих экспериментах с USB прошивку для МК писал языком C на AVR-Studio 4 + WinAVR, программу для ПК разрабатывал при помощи Borland C++ Builder 6.0 как самый быстрый и простой вариант. Соответственно такими будут все будущие примеры. Вообще выбор средств разработки очень ответственный шаг, но холивар по поводу что лучше C или Assembler устраивать не нужно. Я скажу просто: это лишь инструменты в наших руках. Нужно владеть всеми а использовать тот что удобней и правильней в поставленных перед собой целях. Естественно в умелых руках любой инструмент эффективный.
Также нужно отдельно сказать про идентификаторы VID и PID. Это 16-битные числа, при помощи которых операционная система определяет устройства и подгружает нужный драйвер. Для того, чтобы получить Vendor-ID нужно заплатить usb.org 2000$. Интересные мысли по поводу легальности использования VID/PID можно прочитать на страничке эмбеддера BSVi. Тот факт, что V-USB предоставляет свободную пару VID/PID (легально купленную в usb.org) очень греет душу. Но что делать когда нужно одновременно подключить несколько USB устройств с одинаковыми VID/PID? Ничего страшного, помимо этих VID/PID каждое USB устройство имеет VENDOR_NAME и DEVICE_NAME идентификаторы, потом в примерах я покажу как этим воспользоваться.
Несколько ссылок по сабжу:
  • www.usb.org/developers/docs — официальная документация по USB. Не легкая для чтения, но наиболее полная.
  • www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.htm — хороший обзор важных частей USB спецификации. Легче раскуривать чем официалку…
  • www.lvr.com/usb.htm — много хороших ссылок связанных с USB

В заключение напишу, что все условия для создания USB 1.1 устройств доступны каждому:
  • дешевые микроконтроллеры AVR
  • программная эмуляция USB, выберем V-USB
  • свободная пара Vendor-ID и Product-ID (вместе с V-USB)
  • множество примеров как для микроконтроллера так и для компьютера

Остается только одно — желание разобраться! А потом творить чудеса на копеечных микроконтроллерах всем мажорам на зависть.

Планирую написать ещё один топик, с практической реализацией бегущей строки, принимающей данные через USB.
Tags:
Hubs:
+23
Comments 16
Comments Comments 16

Articles