DSP平臺的USB接口設計

引言
USB接口（Universal Serial Bus）是一種通用的高速串行接口。它最主要的特點(diǎn)是它的高速傳輸特性。USB1.1理論速度極限可以達到12Mb/s，USB2.0可達到 480Mb/s。這樣，它可以很好解決大數據量的數據在嵌入式系統與PC機之間的互傳問(wèn)題；同時(shí)，它支持熱插拔，并且最多同時(shí)支持127個(gè)外設，非常適合嵌入式系統的應用。
本次設計是在一個(gè)已有的DSP圖像采集嵌入式系統的基礎上，為它配接上一個(gè)USB1.1的接口，以達到DSP圖像采集系統高速地將圖像數據回傳到PC機中的目的。設計的要求主要有：
①在原有平臺提供的接口基礎上，加入一個(gè)低成本、高速度的USB接口；
②通過(guò)USB接口，實(shí)現PC機對DSP圖像采集系統的操作與控制；
③實(shí)現圖像數據在DSP攝像系統與PC機之間高速的雙向傳輸。
基于以上幾點(diǎn)可以看出，本方案最主要的特點(diǎn)是成本低廉且傳輸速度高。

1 硬件方案選擇與設計
1.1 方案選擇
對于基于DSP平臺的USB接口設計，經(jīng)過(guò)綜合考慮了幾種方案之后決定，采用一個(gè)不帶MCU內核的USB接口芯片PDIUSBD12（成本非常低，一片PDIUSBD12的價(jià)格僅為20元），再加上簡(jiǎn)單的外圍電路和時(shí)序調整電路。
這種芯片僅僅完成USB底層的數據鏈路級交換，并提供給本地微控制器一個(gè)并行的接口，但是它并不完成協(xié)議層的工作。協(xié)議層的工作需要對微控制器編程，控制USB接口芯片來(lái)實(shí)現USB協(xié)議。所以，開(kāi)發(fā)難度相對來(lái)說(shuō)大一些，要做的編程工作也多一點(diǎn)。但是這套方案的成本非常低，而且由于直接用DSP作為微控制器，沒(méi)有原單片機的瓶頸限制，所以可以實(shí)現很高的數據傳輸速率。該系統的原理框圖如圖1所示。
由于PDIUSBD12的并行接口時(shí)序較慢，只能達到2MB/s。這個(gè)速度相對于DSP來(lái)說(shuō)比較低，而且有些地方不是簡(jiǎn)單地在程序中加入延時(shí)就可以調整，所以需要一個(gè)時(shí)序調整電路來(lái)完成它們之間的配合。

圖2 TMS320C2XX寫(xiě)時(shí)序
1.2 PDIUSBD12芯片
PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一種USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作電壓下；具有8位數據總線(xiàn)，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接（SoftConnect）功能，可以保證在微控制器可靠完成初始化之后再連接上USB總線(xiàn)。另外，它還有一個(gè)LED驅動(dòng)腳，可以外接LED來(lái)監測USB的枚舉過(guò)程和數據傳輸過(guò)程。當USB接口枚舉完成，并且成功配置以后，LED將會(huì )一直點(diǎn)亮；而在枚舉過(guò)程以及USB數據通信過(guò)程中，LED只是有節奏地閃爍。
PDIUSBD12只占用微控制器的兩個(gè)地址資源。也就是說(shuō)，它只有一根地址線(xiàn)。其中一個(gè)地址用來(lái)向芯片中寫(xiě)命令，另外一個(gè)地址用來(lái)向燕片中寫(xiě)數據或者從芯片中讀取數據。
PDIUSBD12一共有三組端點(diǎn)：端點(diǎn)0完成控制傳輸；端點(diǎn)1可以配置成中斷傳輸；端點(diǎn)2是主要的數據傳輸端點(diǎn)。它有64B的緩沖區，如果加上它的雙緩沖機制，就有128B的緩沖區；它可以配置成批量傳輸模式，或者同步傳輸模式。
總的來(lái)說(shuō)，PDIUSBD12是一款性能優(yōu)異，價(jià)格相對軟低的USB接口芯片。
1.3 時(shí)序芯片
為了降低成本、簡(jiǎn)化電路，本方案不使用DMA傳輸方式，而以TI公司的TMS320C2XX作為微控制器（使用20MHz晶振）。它的并口速度非常高，遠遠高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此處是硬件設計最關(guān)鍵的地方。
經(jīng)過(guò)詳細的時(shí)序分析發(fā)現，大部分問(wèn)題可以通過(guò)在DSP固件設計的加入延時(shí)，或者設置DSP的WSGR寄存器來(lái)解決。但是有一個(gè)問(wèn)題，必須在硬件上加以解決。圖2是DSP（TMS320C2XX）的寫(xiě)時(shí)序。
圖2中，參數th(W-D)是指在WE信號變高（無(wú)效）以后，所寫(xiě)的數據將仍然保持有效的時(shí)間。這個(gè)值最小為3ns，最大為14ns，所以所寫(xiě)的數據在WE信號無(wú)效以后還會(huì )維持有效，大約3～14ns（實(shí)際的延時(shí)介于這兩個(gè)值之間）。