USB和SD接口复用设计

朱国钟

【摘要】便携小音箱一般包括模拟音频输入AUX、外放喇叭、SD卡接口、USB接口和按键。在实际使用中，一般不会同时进行USB和SD通信，如果能够将USB接口和SD接口的引脚复用起来，节省2个引脚，那么用8pin封装的主控来实现便携小音箱功能，将会是一个非常有价值的解决方案。

【关键词】USB;SD卡;分时复用;插入检测

1.引言

随着电子技术的发展，应用需求的迅速膨胀，终端芯片的集成功能越来越多，导致芯片引出管脚不断增加。另一方面，为减少封装成本和制造成本，生产商对封装成本和应用成本的控制是越来越严格，这就要求减少封装引脚数目。显然人们的需求和成本是矛盾的。

在消费电子领域，便携小音箱因为体积小、音效好、功能全、使用方便等特点，广受消费者的欢迎。便携小音箱一般包括模拟音频输入AUX、外放喇叭、SD卡接口、USB接口和按键。为了支持这些功能，便携小音箱的主控芯片一般包括1个AUX输入引脚、3个SD卡接口引脚、2个USB接口引脚、1个DAC输出引脚、1个按键检测引脚，2个电源引脚，共10个引脚。常见的16pin封装对这种功能需求，显得冗余。为了节省主控芯片成本，去选择8pin封装时候，又无法完全实现便携小音箱的功能需求。

当前消费电子产品的USB接口和SD接口与MCU的连接关系如图1所示。

图1 现有USB/SD接口结构示意图

便携小音箱在实际使用中，一般不会同时进行USB和SD通信，如果能够将USB接口和SD接口的引脚复用起来，节省2个引脚，那么用8pin封装的主控来实现便携小音箱功能，将会是一个非常有价值的解决方案。

2.USB和SD接口复用硬件电路

如图2所示，本文以便携小音箱的应用方案为例，描述一种USB和SD接口复用电路设计，包括MCU主控芯片，USB接口和SD接口。MCU主控芯片包括CPU，SD模块，USB模块，定时器，电平检测模块，通用输入输出引脚IOA、IOB、IOC和IOD，复用控制模块;USB接口包括第一数据引脚USB_DM和第二数据引脚USB_DP;SD接口包括命令引脚SD_CMD、时钟引脚SD_CLK、数据引脚SD_DATA、插入检测引脚SD_DET;SD_CLK引脚和IOA引脚连接，SD_DAT引脚和IOB引脚连接，SD_CMD引脚和IOC引脚连接，SD_DET引脚与IOD引脚连接;USB_DM和USB_DP分别与IOA和IOB两个引脚连接。

复用控制模块用于控制SD模块、USB模块、电平检测模块和通用输入输出引脚IOA、IOB、IOC、IOD的连接关系;SD模块通过复用控制模块，和通用输入输出引脚IOA、IOB、IOC连接; USB模块通过复用控制模块，和通用输入输出引脚IOA、IOB连接;电平检测模块通过服用控制模块，和通用输入输出引脚IOA、IOB、IOD连接。

3.USB和SD接口复用软件控制流程

为了实现USB和SD接口复用方法，MCU软件需要设置6个USB接口状态，6个SD接口状态和3个工作流程。接口状态如图3所示。

6个USB接口状态：USB离线状态、USB在线状态、USB挂起状态、USB激活状态、USB空闲状态、USB通信状态。USB离线状态和USB在线状态同一时间只有一个状态有效，USB在线状态为USB挂起状态和USB激活状态的前提条件。USB挂起状态和USB激活状态同一时间最多只有一个状态有效，USB激活状态为USB空闲状态和USB通信状态的前提条件。USB空闲状态和USB通信状态同一时间最多只有一个状态有效。

图3 USB/SD 工作状态示意图

6个SD接口状态：SD离线状态、SD在线状态、SD挂起状态、SD激活状态、SD空闲状态、SD通信状态。SD离线状态和USB在线状态同一时间只有一个状态有效，SD在线状态为SD挂起状态和SD激活状态的前提条件。SD挂起状态和SD激活状态同一时间最多只有一个状态有效，SD激活状态为SD空闲状态和SD通信状态的前提条件。SD空闲状态和SD通信状态同一时间最多只有一个状态有效。

USB激活状态和SD激活状态同一时间最多只有一个状态有效。

利用CPU，SD模块，USB模块，定时器，电平检测模块，通用输入输出引脚IOA、IOB、IOC和IOD，复用控制模块等硬件结构，配合软件操作流程，实现USB和SD接口检测切换流程。

下面举例说明具体实现检测切换的过程及步骤。

假设通电开机时，没有插入SD卡和U盘，开机后先插入SD卡播放，再插入U盘播放。

开机后，USB接口和SD接口均处于离线状态。软件设置使能定时器每50ms产生一次中断。CPU进入定时中断子程序后，按既定流程检测USB接口和SD接口的连接情况。根据检测的结果，设置USB接口和SD接口的状态。

插入SD卡后，定时器产生定时中断，CPU执行如下检测和设置步骤：（1）流程a检测“USB是否处于通信状态”。USB不在通信状态，进入流程b;（2）流程b检测“SD是否处于通信状态”。SD卡不在通信状态，进入流程c;（3）流程c检测“USB是否处于空闲状态”。USB不在空闲状态，进入流程d;（4）流程d检测“SD是否处于空闲状态”。SD不在空闲状态，进入流程e;（5）流程e检测“SD是否处于挂起状态”。SD不在挂起状态，进入流程o;（6）流程o检测“SD是否在线”。此时已经插入SD卡，SD卡在线，进入流程p;（7）流程p里面，CPU配置复用控制模块，建立SD模块和IOA、IOB、IOC的连接。设置SD接口为激活状态，进入流程s;（8）退出中断子程序后，根据音箱系统的需要，进行SD通信。

此后，再插入U盘。定时器产生定时中断，CPU执行如下检测和设置步骤：（1）流程a检测“USB是否处于通信状态”，USB不在通信状态，进入流程b;（2）流程b检测“SD是否处于通信状态”，如果SD卡处于通信状态，则退出中断子程序，等待定时器再次中断，如果SD卡不处于通信状态，因为SD接口已经被激活，则必然处于空闲状态，进入流程c;（3）流程c检测“USB是否处于空闲状态”，USB不在空闲状态，进入流程d;（4）流程d检测“SD是否处于空闲状态”，SD接口处于空闲状态，进入流程k;（5）流程k检测“USB是否处于挂起状态”，USB不在挂起状态，进入流程l;（6）流程l里面，为了避免USB检测动作影响SD模块和SD卡，将SD设置为挂起状态，再检测“USB是否在线”，此时U盘已经插入在线，进入流程m;（7）流程m将USB设置为激活状态后，进入流程s;（8）退出中断子程序后，根据音箱系统的需要，进行USB通信。

对于先插入U盘，再插入SD卡的情况，可以参考上述过程，实现在线检测和状态设置。

如果SD接口正处于激活状态，SD卡也仍然连接在线，系统需要进行SD通信时，CPU执行如下步骤：（1）流程a检测SD卡是否在线。因为SD没有被拔出，进入流程b;（2）流程b里面，将SD接口设置为通信状态。然后进入流程c，开始SD通信;（3）SD通信结束后，进入流程d;（4）流程d将SD接口设置为空闲状态后，进入流程f，退出SD通信流程。

如果USB接口正处于激活状态，但U盘已经被拔出。当系统尝试再进行USB通信时，CPU执行如下步骤：（1）流程a检测USB盘是否在线，因为U盘已经被拔出离线，进入流程e;（2）流程e将USB接口设置为离线状态后，进入流程f，退出USB通信流程。

结合上述硬件电路和软件流程，即可实现USB接口和SD卡接口的分时复用功能。

4.总结

本文所述的USB和SD接口复用电路，通过配置MCU主控芯片内复用控制模块控制设定和通用输入输出接口状态，配合软件的处理流程，分时复用IOA、IOB、IOC、IOD引脚，进行USB通信或SD通信。SD设备和USB设备插拔动作和连线状态，都不会干扰当前正在使用的USB设备或者SD设备。与现有设计相比，在不影响MCU主控芯片应用功能的同时减少了引脚数量需求，降低产品的生产成本。

参考文献

[1]单片机接口技术.

[2]SD Specifications Part 1 Physical Layer Specification Revision3.01.

[3]Universal Serial Bus Specification Revision 2.0.

[4]USB开发大全（第4版）.

[5]新概念51单片机C语言教程.