基于通用串行总线的嵌入式教学设备及其实验方法

本发明属于教学设备设计，尤其涉及一种基于通用串行总线的嵌入式教学设备及其实验方法，用于打造一套全流程的综合实践平台，能让学生对串行总线技术形成全面了解。

背景技术：

1、通用串行总线(universal serial bus，usb)是一种新兴的并逐渐取代其他接口标准的数据通信方式，由intel、compaq、digital、ibm、microsoft、nec及northern telecom等计算机公司和通信公司于1995年联合制定，并逐渐形成了行业标准。通用串行总线作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，且该总线还兼有供电简单(可总线供电)、安装配置便捷(支持即插即用和热插拔)、扩展端口简易(通过集线器最多可扩展127个外设)、传输方式多样化(4种传输模式)，以及兼容良好(产品升级后向下兼容)等优点。

2、通用串行总线自推出以来，已成功替代串口和并口，成为21世纪大量计算机和智能设备的标准扩展接口和必备接口之一，现已发展到4.0版本。通用串行总线具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接键盘、鼠标、大容量存储设备等多种外设，该接口也被广泛用于智能手机中。将来对于嵌入式设备的开发来说usb将成为主要的数据传输、供电接口。

3、对于通用串行总线技术，国内大多数学生只知道其用法，但对于其原理、性能指标、应用场景等不是很明确，曾经国内的一家大型通信型央企应用在产品设计中，但其没有弄清楚通用串行总线的原理和性能指标，导致给该公司带来了超过近2千万的直接经济损失。因此，在嵌入式实验教学中让学生明白通用串行总线的原理、性能指标已经刻不容缓。基于此，本发明基于通用串行总线的嵌入式教学设备连接接口实验箱，通过构建一套串行通信嵌入式设备的开发和嵌入式系统的搭建，能使学生掌握基于串行通信总线设备开发全流程，对串行通信总线技术涉及到的接口、描述符、电气性能、传输性能有一个全面的了解。

技术实现思路

1、基于上述现状，本发明提供了一种基于通用串行总线的嵌入式教学设备及其实验方法，本发明通过构建一套串行通信嵌入式设备开发和嵌入式系统搭建，实现学生对基于串行通信总线设备开发全流程的掌握，对串行通信总线技术涉及到的接口、描述符、电气性能、传输性能有一个全面的了解，培养具有综合素养和创新实践能力的工程复合应用型人才。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于通用串行总线的嵌入式教学设备，包括试验箱体，试验箱体内设有硬件接口设计模块、设备处理单片机、串行通信总线芯片、快充芯片、usb协议模块、hid(humaninterface device)设备开发模块、cdc(human interface device通信相关设备的抽象集合)设备开发模块、dp(快充协议)快充协议模块；硬件接口设计模块、串行通信总线芯片、快充芯片都与设备处理单片机相连，usb协议模块、hid设备开发模块、cdc设备开发模块、dp快充协议模块都与快充芯片相连。

4、所述教学设备涉及的课程包括理论课程和实验课程，所述实验课程和所述理论课程介绍均包括从通用串行总线的从接口形态、供电、数据传输以及多设备组网的全流程参与。

5、所述实验课程和所述理论课程均包括快充芯片、dp协议、51单片机、32stm单片机、usb芯片、usb1.0、2.0协议、hid设备开发、cdc设备的开发。

6、优选的，hid设备开发模块包括采用51单片机作为控制模块，用于学习hid设备的构成，包含设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符、枚举过程、传输模式。

7、优选的，cdc设备开发模块采用stm32f407作为控制模块，用于学习cdc类设备的构成，基于开发模块中的hs、fs接口，构建cdc的hs、fs的设备，通过构建不同的应用场景对设备的速率进行测试，分析不同的应用方式下对设备接口速率的影响。

8、优选的，试验箱体内还设置有充电板，所述充电板为ip6538ac充电板，采用快充ip6538芯片，支持升压和降压两种快充方案，支持双路输出接口，支持dp3.0、2.0\qc3.0\qc2.0\fcp\afc\sfcp等多种快充协议，支持100w快速充电。

9、优选的，usb协议模块包括usb测试仪和网关板，所述usb测试仪支持多种usb接口，内置一个典型精度为0.02％测量误差和典型温漂为10ppm的电压电流adc专用芯片，所述网关板由树莓派构造，用于完成对hid设备开发模块和cdc设备开发模块的功能验证以及性能测试，同时也用于最终嵌入式教学设备的整体测试。

10、本发明还公开了一种基于通用串行总线的嵌入式教学设备的实验方法，实验方法包括：

11、步骤一：接口认知类实验，让学生了解目前主流的通用串行总线接口包括type a、type b、type c的特点以及应用场景，了解总线的物理结构；

12、步骤二：接口供电设计实验；

13、步骤三：hid设备开发实验；

14、步骤四：接口传输协议设计类实验；

15、步骤五：构建基于串行通信总线接口连接的嵌入式系统。

16、优选的，所述接口供电设计实验包括如下步骤：

17、1)进行了解快充芯片的引脚及功能实验；

18、2)进行了解快充的原理实验；

19、3)进行了解dp协议的实验；

20、4)形成快充解决方案；

21、优选的，所述hid设备开发实验包括如下步骤：

22、a)进行了解51单片机开发技术实验；

23、b)进行了解usb芯片的管脚配置及功能实验；

24、c)进行了解usb1.0、2.0协议实验；

25、d)进行了解hid设备构成的实验，包含设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符、枚举过程、传输模式，进行低速hid、高速hid设备、鼠标、键盘以及自定义设备开发。

26、优选的，所述接口传输协议设计类实验包括如下步骤：

27、1)进行了解fs、hs设备定义的实验；

28、2)构建基于cdc的fs、hs设备；

29、3)测试cdc设备在实际测试过程中fs、hs设备实际的传输速率指标；

30、优选的，所述构建基于串行通信总线接口连接的嵌入式系统包括如下步骤：

31、a)进行了解串行通信总线拓扑结构的实验；

32、b)根据应用场景要求搭建和配置，开发相关的接口设备，满足在多级联的情况系统供电、接口速率满足系统要求。

33、本发明与现有技术相比具有以下优点：

34、本发明提供的一种基于通用串行总线的嵌入式教学设备及其实验方法，通过打造一套全流程的综合实践平台让学生对串行总线技术有一个全面的了解；培养具有综合素养和创新实践能力的工程复合应用型人才。使学生能解释通用串行总线的核心概念，接口、拓扑结构、物理结构、协议组成，性能指标；了解主流的usb芯片的管脚定义以及功能；了解各类hid设备硬件结构、描述符组成以及开发过程；了解cdc设备的驱动开发、cdc设备硬件结构以及fs、hs设备开发过程；了解和掌握串行通用总线的应用场景、场景对性能指标的影响等；能具备结合实际创新需求，完成需求分析和方案设计的能力；具有在需求分析、方案讨论和团队实验中的合作能力。