基于USB的多路通信控制器设计

基于USB的多路通信控制器设计摘要USB接口是目前最为常用的扩展计算机接口的技术方案之一，已经在计算机系统上广泛应用。

当前外设数目日趋增多，通信控制器是实现多个通信管道秩序、高效传输的控制核心。

因此，本论文研究基于USB的多路通信控制器的软硬件实现方案，为此方向的应用实践提供理论上、应用上的借鉴。

本文首先介绍了USB系统体系结构、通信协议、传输类型等基本概念，把握控制器设计的基本格局；然后设计基于USB的通信控制器电路原理框图，综合衡量性价比，选择具有单个TT的GL850A作为控制芯片，设计包括电源、USB 接口、复位、LED指示灯等电路，得到完整应用电路图；使用Altium Designer 绘制电路原理图，参考PCB设计基本原则与注意事项绘制PCB并优化布局布线，力图使PCB分布均匀、整齐，印刷PCB并购买相关元器件，焊接调试电路板电路板，得到通信控制器系统硬件；介绍固件程序的基本概念与设计思想，基于此进行固件程序的设计；最终，将设计得到的软硬件结合的控制器系统连接到计算机系统上并进行通信测试，验证本论文所设计的基于USB的多路通信控制器能够实现稳定、高速、可靠的信息传输。

关键词：通用串行总线；硬件；固件；GL850AABSTRACTThe USB interface is one of the most commonly used technical solutions for expanding computer interfaces, and has been widely used in computer systems. The number of current peripherals is increasing day by day, and the communication controller is the control core for realizing efficient transmission of multiple communication pipes. Therefore, this paper studies the hardware and software implementation scheme of USB-based multi-channel communication controller, and provides theoretical and application reference for the application practice in this direction.This paper first introduces the basic concepts of USB system architecture, communication protocol, transmission type, etc..Grasps the basic pattern of controller design. Then, design the block diagram of USB-based communication controller circuit, and comprehensively measure the cost performance, select GL850A with single TT as control chip. Besides design power supply, USB interface, reset, LED indicator and other application circuit. Use Altium Designer to draw the circuit schematic diagram and PCB, in an effort to make the PCB evenly and neat distributed. Next, solder and debug circuit board circuit board. Introduce the basic concept and design idea of firmware program and design firmware programs based on this. Finally, connect the hardware-integrated controller system to computer for communication testing. It is verified that the USB-based multi-channel communication controller designed in this paper can achieve stable, high-speed and reliable information transmission.KEY WORDS：universal serial bus; hardware system; firmware; GL850A目录摘要 (1)ABSTRACT (2)目录 (3)第1章绪论 (5)1.1 研究背景 (5)1.2 发展现状 (6)1.3论文研究内容 (6)第2章USB体系结构 (8)2.1 基本性质 (8)2.2 通信协议 (8)2.3 传输类型 (10)2.4 设备操作 (11)第3章硬件电路的设计 (13)3.1 电路原理框图 (13)3.2 控制器芯片 (13)3.2.1 GL850A简介 (13)3.2.2 GL850A特点 (14)3.2.3 Gl850A内部模块结构 (15)3.3 应用电路设计 (16)3.3.1 电源模块 (16)3.3.2 复位模块 (17)3.3.3 晶振模块 (17)3.3.4 下行端口指示灯 (17)3.3.5 USB模块 (18)3.3.6 其他模块 (18)3.4 PCB设计 (19)第4章固件设计 (22)4.1 固件结构 (22)4.2 固件设计思想 (24)第5章结果分析 (25)第6章结论与展望 (28)参考文献 (29)致谢 ..................................................................................................................第1章绪论1.1 研究背景通用串行总线（universal serial bus，USB）是诞生于1994年的外设连接技术，解决了计算机与串行、并行外设的连接问题[1]。

它所具有独特的架构，能对计算机系统有限的接口进行扩充，支持多路信号的输入输出，还能做到热插拔，不会烧毁其他设备，自动监控是否有新设备接入，确认设备类型并进行驱动，实现即插即用，节省用户操作时间，提高配置使用效率。

USB能简化连接的原因包括能自动识别设备与特有的连接结构。

一个USB连接一个主机接口，但是连接127个设备；主机能够控制全部总线通信，D+D-产生总线信号。

在设备连接到端口后，地址初设为0，然后，D+线拉为高电平，主机检测到后，重新设置地址，开始安装动作以获取设备属性。

操作系统随后就开始进行驱动，实现交流。

相较于PCI总线重启系统以连接设备的情况，其效率明显增加。

因为USB系统具有的独特优点，使得其被广泛应用于计算机与外设的连接中，除此之外，还在自动化等多个领域广泛应用。

最近生产的个人电脑100%都设置有USB接口。

USB1.1能实现的最快速度传送为12Mbps，而USB2.0却能实现480Mbps，速度提升了约40倍。

[2]其传输速率的增加使得耗时减少，软件的规范性提升，人们能利用更为高效的设备进行工作，能够实现更高速的数据采集与传输，能与之前版本兼容，使用相同规格电缆，在市场上流通相对广泛，USB2.0接口的出现，使USB不仅应用于中低速场景，也大量应用于高速场合。

[3]因为外部设备的增加，由传统的几个串口改进到127个串口，使得连接的方式和形式变得非常复杂，USB可以做到将多个外设的连接点汇聚到一个连接点上，再统一与主机通信交流。

这个信息交流的过程需要控制器进行统筹管理。

控制器通过执行状态机、控制机机制，利用端点0和带有状态信息的端点，实现通信功能等。

端点0指的是缺省控制管道，负责传送USB设备请求及集线器设备类定义请求。

状态端点可以进行设置，采用中断的方式向主机传达信息。

1.2 发展现状国内多路控制器生产厂家有约50个，大陆厂家约30个，台湾厂家约5个，国外厂家约15个，大陆厂家占比最大。

通信控制器大都应用在通信、电力、交通领域，总占比达50%以上。

其中，通信行业使用最多，因为其在数据传输方面会消耗很多集线器乃至控制器。

电力行业使用量占第二。

交通行业占比相对较小，大都应用在铁路、地铁等方面。

当前，WLAN、BLUETOOTH等网络技术大量普及，通信领域发展迅速，需要多路通信传输的场合大大增多，多路通信控制器的市场需求也将大大增加。

由于通信领域发展速度极快，通信技术的研究也进展很大。

美国已经在多路通信控制器方面做了很多研究，[4]针对多个外设同时传递信息引起的传输速度降低、通信管道拥挤堵塞等情况，作出了很大的改善与提升，不仅提升了多路通信的传输速率，还实现了数字、模拟等多类型信号的转化与交互，也易于进行软硬件扩展和服务的多样化，并在芝加哥完成了实际应用。

瑞典、日本、德国等多个国家也相继进行了先进控制器的研制生产，多路通信控制器的功能类型越来越多，支持的设备越来越复杂，应用范围越来越广。

但是，多路通信控制器在工程应用方面仍然存在很多瓶颈，在机理研究层面仍然需要突破性技术，长远来看，多路通信控制器应当更加深入地研究通信技术，完善通信体系，为进一步的发展注入活力，做好铺垫。

1.3论文研究内容本论文设计的多路通信控制器包含四个标准的USB2.0口，用于连接所有外部设备，并为其提供工作电流。

第一章介绍多路通信控制器的一些基本概念、研究背景与当前发展概况，在当前通信技术需求激增的背景下，非常有必要总结前人经验教训，进一步研究多路通信控制器的研究与研制技术。

第二章介绍与梳理了USB总线系统的一些基本概念、应用特性、通信协议、通信类型等，为基于USB的多路通信控制器的设计打下坚实的理论基础。

第三章制定了基于USB的多路通信控制器系统原理框图，并选择GL850A作为控制器芯片，介绍了GL850A的部分工作特性与关键参数，使用Altium Designer绘制GL850A外围及电源、复位、LED灯等电路的原理图，绘制PCB并优化布局布线。