การสร้างอุปกรณ์ USB – คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการสร้างแก็ดเจ็ตชิ้นแรกของคุณ

คู่มือการพัฒนาอุปกรณ์ USB

สารบัญ

• พื้นหลัง
• USB คืออะไร?
• สาย USB
  • ข้อควรระวังเกี่ยวกับ USB-C
  • การส่งข้อมูลผ่านคู่สายดิฟเฟอเรนเชียล
• USB บน PCB
• ความเร็วหลากหลายระดับของ USB
  • ข้อควรระวังสั้น ๆ เรื่องความเร็วบน PCB
• โปรโตคอลและเลเยอร์ซอฟต์แวร์
  • คลาสอุปกรณ์ USB และวิธีที่โฮสต์ใช้งาน
• การสร้างอุปกรณ์พอร์ตซีเรียล
  • ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32 และบอร์ด Nucleo
  • การตั้งค่าพอร์ต USB จริง
  • การเขียนซอฟต์แวร์
  • การแฟลชและการรัน
• บทสรุป

พื้นหลัง

• อุปกรณ์ USB มีประโยชน์ในการขยายความสามารถของคอมพิวเตอร์
• เป้าหมายของบทความนี้คือแนะนำกระบวนการสร้างอุปกรณ์ USB ตั้งแต่ต้นจนจบ

USB คืออะไร?

• USB เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลและการจ่ายพลังงาน
• USB เป็นบัสแบบอนุกรม โดยบิตจะถูกส่งทีละหนึ่งบิต
• USB ไม่ได้เป็นเพียงมาตรฐานการเชื่อมต่อเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโปรโตคอลการสื่อสารด้วย

สาย USB

• การเชื่อมต่อ USB 2.0 มีสายหลัก 4 เส้น:
  • สาย +5V: จ่ายพลังงานจากโฮสต์ไปยังอุปกรณ์
  • สาย D- และ D+: ส่งข้อมูล 1 บิตในรูปแบบคู่สายดิฟเฟอเรนเชียล
  • สาย GND: ทำหน้าที่เป็นกราวด์

ข้อควรระวังเกี่ยวกับ USB-C

• USB-C สามารถเสียบได้ทั้งสองด้าน
• USB-C ไม่ได้บ่งบอกความเร็วหรือเวอร์ชัน

การส่งข้อมูลผ่านคู่สายดิฟเฟอเรนเชียล

• คู่สายดิฟเฟอเรนเชียลใช้สาย 2 เส้นในการส่งข้อมูล 1 บิต
• คู่สายดิฟเฟอเรนเชียลมีข้อได้เปรียบในการลดสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้า

USB บน PCB

• เมื่อต้องเพิ่มคอนเนกเตอร์ USB ลงบน PCB ต้องรักษาความยาวของคู่สายดิฟเฟอเรนเชียลให้เท่ากัน
• ลายวงจรของคู่สายดิฟเฟอเรนเชียลควรอยู่ใกล้กัน
• ต้องรักษาอิมพีแดนซ์ตามค่าที่กำหนด

ความเร็วหลากหลายระดับของ USB

• USB 2.0 สามารถทำงานได้ที่ Full Speed (12 Mbit/s) และ High Speed (480 Mbit/s)
• โฮสต์และอุปกรณ์จะเจรจาความเร็วกันตอนเชื่อมต่อ

ข้อควรระวังสั้น ๆ เรื่องความเร็วบน PCB

• สำหรับ Full Speed ข้อกำหนดเรื่องอิมพีแดนซ์และความยาวลายวงจรไม่เข้มงวดมากนัก

โปรโตคอลและเลเยอร์ซอฟต์แวร์

• USB ทำงานคล้ายเครือข่าย และมี endpoint กับ configuration หลายแบบ
• โฮสต์จะรู้จักและใช้งานอุปกรณ์ USB ผ่านไดรเวอร์

คลาสอุปกรณ์ USB และวิธีที่โฮสต์ใช้งาน

• ระบบปฏิบัติการสามารถรู้จักคลาสอุปกรณ์ USB ได้หลากหลาย
• ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบมวลรวม หรืออุปกรณ์ซีเรียล

การสร้างอุปกรณ์พอร์ตซีเรียล

• ลองสร้างอุปกรณ์ USB พอร์ตซีเรียลแบบง่าย
• ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32 และบอร์ด Nucleo

ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32 และบอร์ด Nucleo

• ใช้บอร์ด NUCLEO-F103RB
• บอร์ดประกอบด้วยโปรแกรมเมอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์

การตั้งค่าพอร์ต USB จริง

• ตั้งค่าพอร์ต USB และตั้งจัมเปอร์ให้ใช้แหล่งจ่ายไฟ 5V ภายนอก
• ตั้งค่าขา PA12 และ PA11 เป็น USB_DP และ USB_DM
• ต่อรีซิสเตอร์ 1.5 kΩ แบบ pull-up ที่ขา PA12

การเขียนซอฟต์แวร์

• ตั้งค่าโหมดอุปกรณ์ USB ใน STM32CubeIDE
• ตั้งค่าเป็นอุปกรณ์พอร์ตซีเรียลเพื่อให้โฮสต์รู้จัก
• เขียนโค้ดให้เปิด LED ในรูทีน CDC_Receive_FS

การแฟลชและการรัน

• บิลด์โค้ดและใช้ STM32CubeProgrammer เพื่อแฟลชลงบอร์ด
• ต่อบอร์ดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ 5V ภายนอก และควบคุม LED ผ่านพอร์ตซีเรียล

บทสรุป

• ได้ลองสร้างอุปกรณ์ USB พอร์ตซีเรียลตั้งแต่ต้นจนจบ
• โค้ด boilerplate จำนวนมากและการตั้งค่าผ่าน UI ของ STM32CubeIDE อาจทำให้ใช้งานไม่สะดวก
• การใช้ Linux-based SoC อาจเป็นแนวทางที่สะอาดกว่า

ความเห็นของ GN⁺

• โค้ด boilerplate ของ STM32CubeIDE: อาจมีการสร้างโค้ด boilerplate จำนวนมาก ทำให้รีวิวโค้ดได้ยาก
• แนวทางแบบ Linux-based: หากใช้ Linux SoC ก็อาจใช้ API ที่เป็นมาตรฐานมากขึ้นและแยกโค้ดได้สะอาดกว่า
• อิมพีแดนซ์และความยาวลายวงจร: สำหรับการเชื่อมต่อ USB ความเร็วสูง จำเป็นต้องใส่ใจกับอิมพีแดนซ์และความยาวลายวงจร
• ข้อดีของคู่สายดิฟเฟอเรนเชียล: คู่สายดิฟเฟอเรนเชียลช่วยลดสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้า จึงทำให้การส่งข้อมูลมีความเสถียรมากขึ้น
• การเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์: สิ่งสำคัญคือการเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เหมาะกับโปรเจกต์ โดยนอกจาก STM32 แล้วก็ยังมีตัวเลือกอื่นอีกมากมาย

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• ความเห็นเกี่ยวกับการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ST: เป็นบทความที่ดีเกี่ยวกับการใช้งาน USB แต่เน้นไปที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ของ ST เป็นหลัก ช่วงหลังระบบนิเวศของ ESP32 มีแนวทางแบบ plug-and-play ที่ง่ายกว่า สำหรับผู้เริ่มต้น การใช้ USB controller IC พื้นฐานแทนงานความเร็วสูงอาจเหมาะสมกว่า

• ประสบการณ์การทดสอบความสอดคล้องตามมาตรฐาน USB: เมื่อนานมาแล้วตอนทำการทดสอบความสอดคล้องตามมาตรฐาน USB พบปัญหามากกับการทดสอบกระแสกระชากตอนเริ่มต้นใช้งาน มักจะโฟกัสกับการออกแบบดิจิทัลความเร็วสูงได้ง่าย แต่ในการทดสอบความสอดคล้อง รายละเอียดเล็กน้อยกลับสำคัญ

• เคล็ดลับเกี่ยวกับ USB-C: ต้องต่อขา CC เข้ากับตัวต้านทานที่เหมาะสม สำหรับ USB 2.0 การเดินลาย differential และอิมพีแดนซ์ไม่ใช่ปัญหาใหญ่ แค่ต่อแบบตรงและให้ความยาวใกล้เคียงกันก็พอ

• ข้อเสนอทางเลือกแทน STM32: หากบัดกรีโปรเซสเซอร์ ARM ได้ยาก ก็อาจพิจารณาใช้คอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กหรือไลบรารี VUSB ได้เช่นกัน หากชอบการเขียนโปรแกรมสไตล์ Arduino ก็มีบอร์ดจำนวนมากที่ใช้งานเป็นอุปกรณ์ USB ได้ง่าย

• ESP32 และวิธีแฮ็กต้นทุนต่ำ: โดยปกติใช้ ESP32 เป็นหลัก แต่ก็สามารถนำบอร์ดควบคุมจากคีย์บอร์ด USB ที่ถูกทิ้งมาใช้สร้างคอนโทรลเลอร์แบบคัสตอมที่ราคาถูกและทนทานได้

• การรองรับการรับข้อมูลเกิน 64 ไบต์บน STM32: มีคำถามเกี่ยวกับวิธีรับเฟรมที่ใหญ่กว่า 64 ไบต์ ความยากคือการตั้งค่าที่ระบุใน reference manual ไม่ได้เป็นรีจิสเตอร์ทั่วไป

• ประสบการณ์เขียนโค้ด USB แบบ bare metal: การเขียนโค้ด USB แบบ bare metal บน MCU ซับซ้อนกว่า SPI หรือ I2C ควรใช้ซอฟต์แวร์ที่ผู้ผลิตจัดเตรียมไว้ให้มากที่สุด สำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูงควรใช้ bulk transfer และต้องตรวจสอบปัญหาฝั่งโฮสต์ด้วย

• การสร้างอุปกรณ์ USB เสมือน: ใช้ Raspberry Pi สร้างอุปกรณ์ USB เสมือนเพื่อเชื่อมต่อกับพีซี กำลังใช้มันในการจำลองกล้อง MTP เพื่อหลอกซอฟต์แวร์

• คำถามเกี่ยวกับบอร์ดพัฒนาที่รองรับ USB 3: ต้องการทำต้นแบบ USB C monitor sink แต่หาบอร์ดที่มีกำลังประมวลผลพอจะรับ DisplayPort ได้ยาก

• ต้นทุนในการใช้งาน USB: USB ไม่ได้ฟรี ต้องจ่ายค่าธรรมเนียมครั้งเดียว $6,000 เพื่อให้ได้ vendor ID.