當今的計算機外部設備，都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)總線協議，專用于低、中速的計算機外設。目前，USB端口已成為微機主板的標準端口；而在不久的將來，所有的微機外設，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、數字相機、掃描儀和游戲柄等等，都將通過USB與主機相連。
　　作為一個硬件廠商或是開發者，最關心的便是如何去開發USB外設。MOTOROLA公司從1996年開始，陸續推出了一系列支持USB總線協議的單片機，如最早的用于顯示器的68HC05BD9A，用于鼠標的68HC05JB2，以及用于集線器(HUB)的MC141555等等。這些芯片共同的特點是都內含一個USB模塊，通過這個模塊，用戶可以很方便地實現USB總線上的數據通訊。68HC05JB4最初是用于開發USB游戲桿的，后來也常被用于其他一些USB外設的開發，比如USB手寫板等等。它除了含有USB接口以外，還有6路8位A/D變換輸入端，4路鍵盤中斷掃描用輸入端，并可最多同時開啟19個I/O端口。
　　我們設計的USB漢字手寫板，采用國內漢王公司的傳感器獲得筆畫信息，傳給MC68HC05JB4，經過整理后通過USB總線發送到PC，再由我們編寫的驅動程序接收，最終轉給漢王的文字識別軟件識別。
1 USB總線系統硬件連接
　　USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源，如圖1所示。

　　其中D+和D－是一對差模的信號線，而VBus和GND則提供了+5V的電源，它可以給一些設備(包括Hub)供電。USB提供了兩種數據傳輸率：一種是12Mb的高速(full speed)模式，另一種是1.5Mb的低速模式，這兩種模式可以同時存在于一個USB系統中(注：在新發布的2.0協議版本中，高速模式被定義為120～240M)。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5m；而在低速模式時可以使用非屏蔽電纜，甚至是非雙絞線，但最長不能超過3m。為了與電纜阻抗匹配，在電纜的每一端都使用了非平衡終端匹配電阻。該電阻也保證了能夠檢測外設與端口的連接或分離，并且可以區分高速與低速設備。
　　68HC05JB4只支持低速USB外設。它提供了兩個端口分別與電纜的D+、D－相連；同時提供了一個3.3V的參考電壓與D－相連。典型連接如圖2。圖中電阻電容的參數是我們在USB手寫板中采用的數值，其中1.5kΩ的電阻要求較高，阻值范圍必須是1.5kΩ±5%。由于電纜長度有限，類似電纜負載之類的工作就不再需要開發者去考慮了。

2 USB總線系統軟件設計
　　USB設備的軟件功能主要有兩點：一是監視設備的狀態，自動產生狀態信息和用戶命令信息；一是完成主機與設備之間的USB總線通訊，自動處理主機的控制和查詢命令。
　　前一功能與設備的具體工作方式有關，與一般非USB設備的實現方法大體一致。唯一的區別是開發者需要預先定義設備所屬的類別和使用的協議。原因是，USB協議將設備分為不同的類型，每個設備類型都定義了類似功能設備的共同行為和協議。例如HID(Human Interface Device)人機接口設備主要指用于人控制計算機系統操作的器件，而電源設備(Power Device)則被定位為HID的子系統之一。對設備進行分類是為了消除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(PC)對設備進行方便、統一的管理。相同類型的設備都由一組標準定義的功能模塊組成。這樣主機與USB設備之間的通信就可以通過一些標準格式的數據包來完成。USB開發者論壇發布了一系列USB設備的類型定義，并配以相應的使用說明。如果開發者需要了解HID及其子類設備，可以查閱參考文獻[2][3]。
　　開發者還應考慮的是主機的工作平臺，比如Windows 98/NT、Unix等等，原因是不同的系統對不同的設備的支持程度不同。例如在Windows 98下，系統除了提供通用的USB設備的底層驅動以外，還單獨提供了少數HID設備(如鼠標)的完整驅動，也就是說，開發者如果想實現一個USB鼠標，是不需要在Windows 98下開發自己的驅動程序的，而如果想實現一個USB手寫板，就必須在通用的底層驅動基礎上開發自己的設備驅動程序。所以設備類型的定義也直接影響開發的難度和時間。
　　后一個功能的實現較為困難。USB總線上傳遞的信息有兩種：一是由數據線的差分信號傳遞的三種包(令牌包、數據包和應答包)；一是經過定義的特殊的數據線信號，如復位信號、喚醒信號和包結束(EOP)信號等。對于低速設備，USB還定義了兩種總線操作方式：控制傳輸(用于主機設置設備和獲取狀態)和中斷傳輸(用于工作信息的傳輸)。
　　MC68HC05JB4中的USB模塊提供了3個端點，其中端點0通過控制傳輸與主機通訊，而端點1和端點2則使用中斷傳輸。用戶可以近似地把端點0看作是設備的控制和狀態寄存器，而端點1和端點2則是設備的兩個數據緩沖區。對應于3個端點，68HC05JB4提供了3個控制寄存器，2個中斷寄存器(端點1和端點2共用1個)，同時為端點0提供了8個數據發送/接收寄存器，為端點1和端點2提供了8個共用的數據發送寄存器。其他在USB模塊中提供的寄存器還包括一個地址寄存器和一個狀態寄存器。
　　軟件開發的主要工作是編寫USB的中斷服務例程，其功能是處理USB發送/接收的不同的通訊信息(如令牌、數據或應答等)，再從端點0獲得主機的控制信息，或是向端點0發送設備的狀態信息，以及向端點1或端點2發送完整的數據報告等。根據設備類型的不同，主機發送的控制信息的種類和數量都會不同。例如，USB手寫板屬于HID設備，在響應主機命令的時候，除了需要處理普通的USB命令(如Set Address、Set/Get/Clear Feature和Get Status等等)以外，還需要處理HID設備特定的一些命令，如Set/Get Report、Set/Get Idle和Set/Get Protocol等等。關于USB模塊的各個寄存器的使用方法，MOTOROLA也提供了一些范例，開發者可以參照學習。
　　開發者還應注意的是設備的掛起(休眠)和喚醒功能。USB協議規定，當總線處于空閑狀態超過3ms時，設備必須進入掛起狀態，而掛起的設備從總線上吸收的電流必須小于500μA。68HC05JB4的掛起可以通過設置USB端點0的中斷寄存器中的掛起標志位來實現。
　　但設備的掛起對設備的工作往往有不利的影響。協議規定的500μA包括了主機端的電纜終端匹配電阻的電流(通常為220μA)，所以對于使用總線電源的設備而言，進入掛起狀態通常便意味著總電流消耗不能超過280mA，這實際上是要求68HC05JB4進入STOP模式。開發者如果需要設備不進入掛起狀態，通常有兩種方法。一種是通過主機周期性地向設備發送包結束(EOP)信號，間隔時間小于3ms，這樣設備將永遠處于正常狀態；另一種方法是在設備掛起時喚醒它，既可以由主機發送喚醒或復位信號，也可以由設備自行遠程喚醒，具體的實現方法是由設備向主機發出遠程喚醒信號，在主機認可后設備即結束掛起狀態。開發者可以在68HC05JB4的外中斷端口上連接RC電路，在設備進入掛起狀態時利用電路的充放電時間產生滯后的外中斷信號，再在中斷發生時向主機發送遠程喚醒信號，就可以自動恢復到正常的狀態。
　　圖3是根據我們編寫的USB手寫板的程序精簡出來的一個典型的程序流圖，開發者可以參考編寫不同設備的代碼。正如上文所述，最關鍵、也是最困難的，還是中斷處理程序的編寫，開發者需要格外重視。