USB在数字电视机顶盒上的设计及应用

中心议题
    * 分析了USB在数字电视机顶盒上的应用
    * 给出了具体设计方案
解决方案
    * CH375作为USB主机控制器芯片
    * 选用W78E516B单片机作为USB主机芯片的MCU
    * 使用74HC573作为单片机地址锁存器

0　USB与数字电视机顶盒概述

机顶盒是将数字电视信号转换成模拟信号的连接电视机与外部信号源的设备,它对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原,产生模拟的视频和声音信号,通过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。未来的电视机顶盒不仅要有接受信号、交互式多媒体应用等基本功能,还将包括连接其他输入输出设备并与其交换数据的能力。

USB是一种查询总线,是由主机控制器启动,通过主机调度、基于令牌的协议在主机和各种USB设备之间的数据传输。USB支持热插拔和即插即用,分层的星型拓扑结构,能够支持多达127个同时连接的灵活端口扩展性,有标准化的硬件结构以及可供选择的速度模式及传输模式等优良特性。USB控制器一般有两种类型,一种是MCU集成在芯片里面的,另一种就是纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信。前一种开发时需要单独的开发系统,因此开发成本较高,而后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能,因此成本较低而且可靠性高。

USB自应用以来,从最初的USB1.1到USB2.0,数据传输量不断增加,在以后的发展中,随着科技的进步和人们生活水平的提高,人们对USB的时速传输量要求会越来越高。高速或全速的USB设备必将成为USB设备的主流。本文主要介绍沁恒公司的全速CH375器件在机顶盒上USB接口扩展应用。

1　USB的基本原理

USB系统采用级联式星型拓扑结构,典型的USB总线拓扑结构如图1所示。USB的拓扑结构由主机、集线器和设备组成。

USB是以差模串行信号为载体传送二进制代码来传输信号,包是USB最基本的数据单元,每个包基本包含一个完整的USB信息。数据包作为最基本的完整信息单元,包含了一系列数据信息。以包为基础,构成USB的3种事务,进而组合成中断传输、实时传输、控制传输、批量传输4种不同的数据传输类型,传输各种类型的数据,实现USB的各种功能。

2　 USB在数字电视机顶盒上的设计及应用

2.1　USB数据信号与数据线接口

USB数据信号是双相信号,信号产生电路如图1所示。图1同时说明了线路接收器和噪音抑制电路的连接方法。其中,Texas仪器公司的SN75240起噪声抑制作用,收发器起差分线路于接收器的作用。

2.2　采用不带MCU的USB数字电视接口芯片设计总线接口

如果USB接口芯片内部不带MCU,则通常该接口主要起并行数据与USB数据转换的作用。可以在接口电路中使用单片机作为主控器,将外设的数据写入USB接口芯片,通过USB接口芯片的转换将其变为USB数据发送到USB总线上,或以相反的方向将来自USB总线上的数据传送给外设。

CH375是USB总线通用接口芯片,支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方

式。在本地端,CH375具有8位数据总线和读写、片选控制线以及中断输出,可以方便的挂接到单片机DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下,CH375还提供了串行通信方式,通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机DSP/MCU/MPU等相连接。

确定CH375作为USB主机控制器芯片后,本文选用Winbond公司的W78E516B单片机作为USB主机芯片的MCU,使用74HC573作为单片机地址锁存器。另外,在本嵌入式USB HOST接口设计中,要实现机顶盒与U盘的数据交互,设计一个友好完整的用户接口是必然的。而在实现数据交互的过程中,一般的数据传送系统在大数据量的情况下会造成数据堵塞现象,本设计为了提高数据传输效率,采用高速双端口RAM(IDT7007)构成高速数据交换接口作为数据交互缓冲区。系统组成框图如图3所示。

在图3中,采用CH375,当要实现外设数据上传到主机系统时,由单片机控制将外设的数据通过单片机的输入输出端口接收至单片机内部寄存器或存储器中,然后再将接收到的数据写入接口芯片CH375,CH375利用内置的控制传输的协议处理器,自动将并行数据转换为USB数据输出至USB总线,主机系统通过读USB总线就可以获得外设上传的数据信息;当要实现主机系统数据下载至外设时,先由主机将下载数据传送到USB总线上,CH375利用内置的USB信号检测电路和控制传输的协议处理器,自动接收并转换USB数据,然后可以利用中断请求信号通知单片机,由单片机控制将CH375的数据通过单片机的I/O端口接收至单片机内部寄存器或存储器中,再将接收到的数据写入外设,这样,外设就可以获得来自主机的输出信息。

USB接口的程序设计是USB接口设计的重要组成部分。USB接口程序由单片机程序(固件)、USB设备驱动程序和主机应用程序3部分组成。设备固件是整个系统的核心,控制接口电路与外设交换数据,接受并处理USB驱动程序的请求和应用程序的控制指令;而USB设备驱动程序是开发USB外设的关键。这三者互相配合才能完成可靠、快速的数据集传输。

3　结束语

USB接口程序开发的难点在于较难逾越协议固件开发和驱动程序开发这两个障碍。选用CH375,可以利用它内置的控制传输协议处理器以及由芯片生产商提供的启动程序和动态链接库(以动态链接库的形式封装好的面向功能应用的API函数),在不需要开发协议固件和驱动程序的情况下,最简洁的设计出USB接口程序。本文基于数字电视在中国市场上的广阔前景,采用了逐渐成为市场主流的高速USB设备作为数字电视机顶盒的必要补充,从而使其成为更便捷,交互性更好,功能更强的电子产品。