usb控制器开发及于智慧型光碟柜之应用.pdf
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2004 第十三屆全國自動化科技研討會 中華民國九十三年六月十七日~十八日 臺灣‧台北 國立台北科技大學 USB 控制器開發及於智慧型光碟櫃之應用控制器開發及於智慧型光碟櫃之應用 Development of USB Controller and Its Application in Intelligent CD Cabinet 陳雙源陳雙源 李育龍 陳正光 黃榮堂 李育龍 陳正光 黃榮堂 台北科技大學 機電整合研究所 台北科技大學 機電整合研究所 E-mail: sychen@ntut.edu.tw 摘要摘要 USB 通訊技術已普遍應用於各消費性電子產品，但 似乎沒有一個整合性的、泛用的 USB 控制器供工業界 使用，故本研究嘗試開發一 USB 控制器，有泛用型控 制器的 DI/O 、 高速計數及馬達控制等功能 ， 再結合 USB 的隨插即用、熱插拔及擴充性等便利此控制器的開發 包括軟、硬體兩方面：軟體方面主要是撰寫 PC 端的人 機介面程式與微控制器端的韌體程式；而硬體方面則是 作各部電路的設計與開發，如微控制器控制電路等，最 後再將所開發之控制器，實際應用於一智慧型光碟櫃的 自動控制與管理，以驗證其性能。
關鍵詞關鍵詞：USB、USB 控制器、光碟櫃、微控制器 Abstract USB communication technology is popularly used in consumer’s electronic products, but, up to now, there is still no integrated and general-purpose USB controller available for industrial applications. This situation motivates us to perform the research. The controller currently under developing integrates the merits of USB conveniences, such as plug and play, hot attach and detach, extendable and functions of a general-purpose controller including DI/DO, high speed counter and motor control. The works of developing this USB controller include software and hardware jobs. In software, we write a GUI (Graphical User Interface) program in PC end and design firmware program for MCU (Microprocessor Control Unit). In hardware, the major work is to develop controller circuits, such as MCU control circuit etc. Finally, to verify its properties, the USB controller is used in auto-management and control of an intelligent CD cabinet. Keywords: USB、USB controller、CD cabinet、MCU. 1. 前言前言 USB 的英文全名是 Universal Serial Bus，中文稱為 「通用串列匯流排」 。
USB 可取代低速至中速等資料傳 輸速度較慢的傳輸埠，而在 USB 2.0 的規格中使得高速 的傳輸變成可能，USB 讓原本繁複的週邊裝置使用統 一的連接埠和纜線，而 USB 優於傳的連接方式有下列 幾個特性[1][2][3]： (1)隨插即用（plug-and-play support） ：一旦週邊的 裝置連接到 USB 埠後 PC 會自動識別裝置，自 動載入驅動程式到作業系統，而不需要重新開 機（reboot）或設定 (2)熱插拔（hot attach IDE） ，結合了專案（project）經營管理、原始程式編輯 （editor） 、組譯器（assembler） 、編譯器（complier） 、 連結器（linker/locater） 、程式除錯器（debugger）等功 能，使我們可以利用 C 語言來開發微控制器程式[4] 中繼器 ( Repeater )控制器 ( Controller )上游埠P1P2P3 P4USB HUB影像辨識 函式庫(DLL)VB 人機界面程式 USB HUB 驅動程式 USB/Serial 驅動程式 外接裝置之 驅動程式 CCD 驅動程式微控制器核心程式 PCMCU圖 1 軟體系統架構圖 2.2 硬體電路硬體電路 硬體電路的架構可由圖 2 所示，個人電腦（PC） 藉著 USB 電纜線與 USB 集線器介面電路作連結 ， 再由 此分成四個連接埠（port）分接出去。
每個連接埠可獨 立連接所需設備或所欲控制之電路 個人電腦U S B H U B 介面電路 （N EC u P0 7 2 0 110 A）U S B / S e r i a l 介面電路 （PL 2 30 3）U S B / ID E介面電路 （G L 8 11U S B ）微處理機 控制電路H D? D V D C D - R O MC C DR X D TX DO t h e r s （可為另一U SB 控制器）圖 2 硬體電路架構圖 如圖 2 中，port_1 接到一個 USB 轉 Serial （RS232） 的介面電路，將 USB 的信號格式轉換為微控制器可解 讀的 UART 格式，然後再接至微控制器控制電路，進而 驅動受控設備，如光碟櫃等；port_2 連接的是一台 CCD camera，可用以擷取光碟片影像，並透過 USB 電纜線 傳回 PC 作分析與比對的工作；prot_4 連接一 USB 轉 ATA 的介面電路，轉換兩者之間的信號格式，然後再與 硬碟及光碟機（CD-ROM 或 DVD-ROM）連接，硬碟 可儲存大量的資料，如影像資料，而 CD-ROM 或 DVD-ROM 可以讀取光碟片的資料等；port_3 可再外接 所需額外的裝置，或作為日後擴充之用，亦可連接另一 USB 控制器來控制另一台光碟櫃等。
在此主要硬體電路有 USB 集線器介面電路、USB 轉 ATA 介面電路、USB 轉串列（RS232）介面電路與 微控制器控制電路，如下敍述： (1) USB 集線器介面電路 在 USB 隨插即用的架構中，集線器是關鍵元件 圖 3 所示為一典型的四個下游埠之集線器的表示圖 圖 3 典型的四個下游埠集線器結構 集線器從使用者的立場簡化 USB 的複雜性，並提 供廉價而可靠的性能它也是線路的集中器，使 USB 擁有多重連結的特性，這些連結的點就是 「埠」 （port） ， 將單一的連結點轉換成多個的連結點USB 架構支援 多個集線器的連結，和多達 127 個 USB 裝置 集線器的上游埠將集線器往主機方向連結 ， 它的下 游埠能和另一個集線器或裝置連結；它也能偵測每一下 游埠的連結及移除，將電源分配到下游埠的裝置，使全 速或低速的各個下游埠致能並配置之集線器會將低速 埠與全速信號隔離 集線器由兩個部份組成 ： 集線器控制器與集線器中 繼器（repeater） 控制器是位於上游及下游埠間的通訊 協定控制開關，同時也有硬體支援重置和懸置/復置信 號，並提供介面暫存器以便與主機通信；中繼器負責集 線器之連結、分離及偵測。
集線器特定的狀態及控制指 令使主機能將其配置並監督和控制各個埠 在 此 所 使 用 的 晶 片 為NEC公 司 生 產 之 uPD720110A，它是一顆 USB 集線器專用的控制晶片，2004 第十三屆全國自動化科技研討會 中華民國九十三年六月十七日~十八日 臺灣‧台北 國立台北科技大學 配合相關電路 ， 可以達到如上述之功能 它符合 USB 2.0 的傳輸協定 ， 所以支援的傳輸速率有 ： 高速 （high-speed） 的 480 Mbps、全速（full-speed）的 12 Mbps 以及低速 （low-speed） 的 1.5 Mbps具有一個上游埠及四個下游 埠，並且支援不同傳輸速率的裝置同時工作所使用的 系統時脈（clock）為 30MHz，工作電壓為 3.3V [5] (2) (3) USB 轉 ATA 介面電路 此電路用以作為 USB 與 ATA 資料格式之間的轉 換，透過此電路便可連接 ATA 介面之硬碟或光碟機使 用而在此電路中主要使用的晶片是 Genesys Logic 公 司所生產的 GL811USB。
GL811USB 是一顆高相容性且低價之 USB 2.0 轉 ATA/ATAPI 的橋接控制晶片，它同時遵守著 USB 2.0 與 ATA/ATAPI 1.0 （包括 PIO mode 0~4, DMA mode 0~2, 與 UDMA mode 0~5）的傳輸規格，可支援多種 ATA/ATAPI 的裝置，包括硬碟、光碟機、燒錄機與 DVD 光碟機等[6] 為了提供最大的設計彈性，GL811USB 晶片支援 三種操作模式（只限 100 pin LQFP 封裝格式的晶片） ， 分別是內部 CPU、外部 CPU 與外部 ROM其中內部 CPU 模式使用的是 GL811USB 晶片預設的韌體程式 碼；另外使用者可自行應用外部 CPU 與外部 ROM 模 式，在自己的發展平台上修改韌體程式碼以符合實際需 求 USB 轉串列（RS232）介面電路 同樣是一介面轉換電路，此電路主要作為 USB 與 串列（RS232）資料格式之間的轉換，透過此電路便可 使個人電腦經由 USB 電纜與微控制器的串列埠作溝 通主要所使用的晶片為 Prolific 公司所生產的 PL-2303 圖 4 PL-2303 晶片內部方塊圖[7] PL-2303 是一顆 USB 與標準的 RS232 串列協定之間的橋接晶片，其介面與內部方塊圖如圖 4 所示[7]。
該晶片支援 USB 1.1 的傳輸協定，其中內建兩個 資料流緩衝儲存器（buffer） ，可分別容納來自 USB port 與 RS232 port 的資料，並有自動資料交握（handshake） 的功能，且傳輸速率較一般 RS232 為快，高達 1Mbps 以上 更支援以下功能：USB 電源管理模式，可節省電 源的消耗；可外接 EEPROM 並將所需設定之資料透過 I2C 的傳輸方式來寫入或讀出；可連接任何支援 RS232 格式之裝置 (4) 微控制器控制電路 以 8051 單晶片為電路發展核心，由串列埠接收來 自 PC 的命令，經命令解析與運算後，驅動外部設備作 動，如驅動光碟櫃機台之馬達運轉等，並接收回授信號 來作誤差補償，來達到閉迴路的控制 此控制電路亦可細分為其他各個電路，各司其 職，將於控制器發展中說明，在此僅介紹所使用之單晶 片單晶片為此控制電路之核心，所使用的是 Winbond （華邦） 公司所生產的 W78E58B，其主要規格如下[8]： ? 為一 8 位元 COMS 製程的微控制單晶片 ? 晶片內具有 32K 位元組的程式記憶體 ? 晶片內具有 512 位元組的資料記憶體。
