Sulautetut järjestelmät USB-pohjaisissa sovelluksissa

Abstract

Työn tavoitteeksi asetettiin USB-teknologian ymmärtäminen, toimivan USB-laitteen suunnitteleminen ja rakentaminen ja laiteohjelmistoon tutustuminen. Laite päätettiin rakentaa PIC18F2550-mikrokontrollerin ympärille, johtuen sen integroidusta USB-piiristöstä. Lisäksi pyrittiin toteuttamaan yksinkertainen isäntäohjelma, joka yhdistettynä suunniteltuun USB-laitteeseen mahdollistaisi käyttöjärjestelmän toimintojen ohjaamisen USB-laitteen painikkeita painamalla. Työn tavoitteiden saavuttamiseksi luettiin USB-dokumentteja ja –kirjallisuutta ja tutustuttiin valmiisiin USB-projekteihin. Laiteohjelmiston ja isäntäohjelman pohjana käytettiin valmiita projekteja, jotta työn määrä ei kasvaisi liian suureksi. Molempia muokattiin lisäominaisuuksien lisäämiseksi ja työn tavoitteiden saavuttamiseksi

USB-väylän toimintaa onnistuttiin selvittämään sekä elektroniikan että ohjelmoinnin näkökulmasta. USB standardin asettamat vaatimukset määräävät muun muuassa käytettävien ylösvetovastusten ja kytkentäkondensaattoreiden suuruuden ja esimerkiksi kuinka pitkä USB-kaapeli voi olla ja näitä tietoja käytettiin hyväksi laitetta suunniteltaessa. Erilaisten pakettityyppien toimintaa tutkittiin, ja ylösvetovastusten merkitys USB-laitteen nopeuden valinnassa opittiin ymmärtämään. Laite saatiin suunniteltua ja rakennettua koekytkentäalustaan ja laiteohjelmisto saatiin ladattua laitteen mikrokontrollerille. Laiteohjelmiston raporttikuvailutietuetta muokattiin työhön sopivaksi. Isäntäohjelmaan lisättiin ominaisuus, joilla useamman painikkeen käyttäminen laitteessa ei tuottaisi ongelmia. Lisäksi ohjelmoitiin funktiot kolmelle painikkeelle, jolloin äänenvoimakkuuden ohjaaminen käyttöjärjestelmässä onnistui USB-laitteen painikkeita painamalla.

USB-väylän ja -ohjelmoinnin monimutkaisuudesta johtuen ei ollut mahdollista tuottaa niin paljon alkuperäistä koodia, kuin oli tarkoitus. Lisäksi ohjauskonsoli jäi todella yksinkertaiseksi HID-laitteeksi, jossa oli vain neljä painiketta ja ohjattava LED. Laiteohjelmistoon ja isäntäohjelmaan tehdyt lisäykset kuitenkin toimivat hyvin ja kyseisellä laitteella voidaan jo nyt tehdä mahdollisesti monia asioita Windows-käyttöjärjestelmässä. Tulevaisuudessa on mahdollista lisätä LCD-näyttö laitteeseen ja yrittää käyttää mikrokontrollerin A/D-muunninta, jotta laitteeseen saadaan lisää ominaisuuksia. Myös laiteohjelmistoa on mahdollista kehittää vielä pitemmälle.

The purpose of this thesis was to gain an understanding of USB-technology, the designing and building of a working USB-device and to get introduced to USB firmware. A decision was made to build the device around a PIC18F2550 microcontroller, largely due to the integrated USB circuitry. Also, an attempt was made to create a simple host program, which connected with the designed USB device would enable the programmatical controlling of the functionality of the operating system by using the buttons on the USB device. Knowledge to enable these plans was acquired from several sources including USB documentation, device documentation and various finished USB projects. The firmware and host program were based on a finished project, so the amount of work would not prove too daunting. Both were modified to add features and to achieve wanted functionality.

The inner workings of the USB bus were researched both from an electronic and a programming point of view. The requirements set by the USB standard and how they affect the values of pull-up resistors and capacitors were used as a basis for building the device. Different packet types used in USB communication were also researched and the significance of pull-up resistors in choosing the speed of a USB device was understood. The device was successfully designed and built on a breadboard, which enabled the uploading of the firmware onto the device microcontroller. The report descriptor of the firmware was modified to meet the goals of the thesis. A feature was added to the host program which prevented errors when using multiple buttons on the console. Functions were created for three buttons so that the volume controls of the host could be changed by pressing the mentioned buttons on the USB device.

Due to the complexity of the USB bus and the programming involved it was not possible to produce as much original code as originally planned. In addition, the USB device ended up a really simple HID control console with only four buttons and a controllable LED. However, the additions made to both the firmware and the host program worked as intended and created a possibility to do a lot of things already in a Windows operating system. In the future an LCD screen might be added to the device in addition to trying to add features by using one of the integrated A/D converters of the microcontroller. Also, the firmware has potential to be developed further.