通用USB接口模塊設計之AVR單片機
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1 引言
USB接口以其數據傳輸快、連接簡(jiǎn)單、易于擴展、支持熱插拔等特點(diǎn)已成為外設與PC通信的主要方式之一。隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展，嵌入式微處理器需增加通用的USB接口，以便實(shí)現與PC等USB主機系統的通信。針對這樣的需求，這里采用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8設計一種通用的USB接口模塊。該模塊可方便為各種嵌入式微處理器增加USB接口，從而實(shí)現與USB主機系統的高速通信。
2 系統硬件設計
該系統模塊的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基于哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價(jià)格低、可靠性高，I／O口線(xiàn)驅動(dòng)能力強和片內集成外設資源豐富等特點(diǎn)，其內部集成有可進(jìn)行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜制作簡(jiǎn)單、成本低廉，還有免費的下載軟件(例如PonyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性?xún)r(jià)比USB接口器件，完全符合USB1.l規范，易于與各種微處理器接口。
系統模塊AVR單片機與PDIUSBD12的電路連接如圖1所示。
由圖1看出，由于A(yíng)VR單片機具有高速性，可利用I／O端口線(xiàn)以軟件方式模擬PDIUSBD12的時(shí)序，對其讀寫(xiě)。這種方式可根據不同的微處理器速度靈活控制PDIUSBD12的時(shí)序和地址，無(wú)需譯碼電路，從而簡(jiǎn)化硬件設計，降低成本。
由于A(yíng)Tmega8片內集成了UART，SPI，I2C等接口，該接口模塊可利用這些接口與其他系統通信，使得該接口模塊成為通用的接口轉換器。其系統硬件結構框圖如圖2所示。
3 USB固件程序設計
本系統模塊的USB固件程序采用符合ANSI C標準的GCC編譯器設計，結合分層次的模塊化結構，可移植性強，只需稍微修改硬件接口層即可將其移植到別的硬件平臺，可重復利用代碼。
USB固件程序設計是基于狀態(tài)機和標準的前后臺式程序架構。整個(gè)同件程序的模塊化層次結構如圖3所示。首先編寫(xiě)硬件接口層hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口層，以供上層模塊調用。硬件接口層含有對PDIUSBD12寫(xiě)指令和讀寫(xiě)數據的函數，以供上層模塊調用。當CPU不同時(shí)，只需修改這些函數即可。由于CPU訪(fǎng)問(wèn)PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，只需根據硬件連接關(guān)系，在硬件抽象層中編寫(xiě)對PDIUSBD12寫(xiě)指令、寫(xiě)讀數據的函數，供上層調用即可。實(shí)現PDIUSBD12的命令接口層需調用硬件抽象層函數，供上層模塊調用。再設計前后臺程序及標準設備請求程序模塊。
先利用C語(yǔ)言的共用體與位域定義一個(gè)全局狀態(tài)變量如下所示：
用戶(hù)可根據需要增加相應的狀態(tài)標志位，如UART，SPI，I2C等接口收發(fā)數據完成標志來(lái)滿(mǎn)足各種情況下的需要，然后定義一個(gè)結構體變量用于存放USB的標準設備請求。
在前臺主程序中首先初始化全局變量和其他外圍設備，然后在while(1)的死循環(huán)中檢測狀態(tài)變量值有無(wú)變化，根據不同的狀態(tài)變量值調用下層的相應函數完成相關(guān)操作。在后臺的中斷服務(wù)程序中，根據讀取的中斷寄存器值一方面將PDIUSBD12接收到的數據移入CPU內存或將內存中的數據寫(xiě)入PDIUSBD12發(fā)送端點(diǎn)的緩沖區；另一方面根據具體情況改變狀態(tài)變量值。
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