基于DSP和專(zhuān)用接口芯片的USB實(shí)現方案

　　自1994年11月提出通用串行總線(xiàn)(USB)以來(lái)，USB以其傳輸速率高、支持熱插拔、易于擴展的突出優(yōu)勢，發(fā)展速度驚人，迅速席卷電子產(chǎn)品世界。在市場(chǎng)需求的強力驅動(dòng)下，從1998年開(kāi)始，USB接口進(jìn)入測量?jì)x器領(lǐng)域，并逐步被許多著(zhù)名儀器公司接納。在測量?jì)x器中擴展USB接口已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。針對不同的測量?jì)x器，尋求一種普遍適用的USB接口解決方案，對于測量?jì)x器的開(kāi)發(fā)設計有十分重要的意義。

　　方案選擇

　　開(kāi)發(fā)USB設備一般有三種方式：一種是使用帶USB接口的專(zhuān)用微控制器(MCU)，這類(lèi)MCU有自己的系統結構和指令，從底層專(zhuān)用于USB控制，比如Cypress公司的CY7C63xxx和CY7C64013，這類(lèi)MCU的開(kāi)發(fā)需要用專(zhuān)用工具，且性能有限;第二種方式是使用帶USB接口的通用MCU，這類(lèi)MCU只是基于一般芯片內核增加了USB接口，比如Intel公司的8x931、8x930以及Cypress公司的EZUSB等，這類(lèi) MCU的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具都和一般MCU相似，因而較易入手，但其缺點(diǎn)是成本較高;第三種方式是使用純粹的USB接口芯片，通過(guò)外加MCU對其控制。如 Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581以及National公司的USBN9602、南京沁恒公司的CH372、CH375等。這類(lèi) USB接口芯片價(jià)格較低、接口方便、靈活性高，針對不同的硬件環(huán)境可以配合多種MCU使用，如單片機、DSP、FPGA都可以。綜合各方面因素考慮，本設計選用第三種方式，即采用專(zhuān)用USB接口芯片為測量?jì)x器擴展USB接口。

　　硬件設計

　　USB控制器

　　USB控制器通過(guò)控制USB接口芯片實(shí)現協(xié)議處理和數據交換。在本設計中選用DSP芯片TMS320VC33作為微控制器，這主要是基于兩方面的考慮：一是其運算速度較快，指令周期僅為13nS，可以最大限度地發(fā)揮USB接口芯片的潛力;二是該DSP芯片性?xún)r(jià)比高，且具有浮點(diǎn)運算功能，擴展浮點(diǎn)精度可達40位。

　　USB接口芯片

　　USB接口芯片用以完成USB通信底層的數據鏈路級交換，并對本地微控制器提供一個(gè)并行接口。

　　本文選用PHILIPS公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。該芯片可與任何微控制器實(shí)現高速并行接口(2Mb/s)，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險和成本，是開(kāi)發(fā)高效低成本的USB外圍設備的一種快捷途徑。

　　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有128B的緩沖區，是主要的數據傳輸端點(diǎn)。

　　接口電路

　　采用單獨地址/數據總線(xiàn)配置，即用DSP的某地址線(xiàn)控制PDIUSBD12的A0引腳，實(shí)現命令數據的選擇。A0=1表示傳送命令，A0=0表示傳送數據。片選(CS )及掛起(SUSPEND)信號分別由DSP的I/O口控制。讀寫(xiě)選通信號WR 、RD 可以用DSP的R/W引腳及其取反后控制。但這樣需要在電路中增加反相器，為了節約器件從而縮小電路體積，可以另外選擇一個(gè)I/O口控制 PDIUSBD12的讀選通RD。本設計中選用PAGE1，通過(guò)對不同地址的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)區分對PDIUSBD12的讀寫(xiě)操作。這樣PDIUSBD12只占用微控制器的三個(gè)地址資源，其一用來(lái)向PDIUSBD12寫(xiě)命令，其二用來(lái)向PDIUSBD12寫(xiě)數據，另外一個(gè)用來(lái)從PDIUSBD12讀數據。對DSP而言，PDIUSBD12就相當于一個(gè)有8位數據總線(xiàn)和3個(gè)地址的存儲器件。

　　設備采用自供電方式，需要將EOT 通過(guò)一個(gè)10k?的電阻接至USB電纜的VCC(+5V)端，并加1M?下拉電阻，借此檢測USB設備是否已經(jīng)連接到USB口。

　　軟件設計

　　USB軟件設計包括固件(firmware)程序、PC端的驅動(dòng)程序和應用程序。其中固件程序要求編寫(xiě)者對復雜的USB通信協(xié)議有深刻的理解，編程難度較高，在本論文中將詳細介紹。

　　固件編程

　　固件程序是寫(xiě)入MCU內的程序，使MCU可以完全按照USB協(xié)議，識別接收到的信息包類(lèi)型，對包的內容、意義進(jìn)行分析，并按照要求完成相應的動(dòng)作。通過(guò)這些不同類(lèi)型包的傳遞，完成MCU與接口芯片的命令及數據交換，進(jìn)而實(shí)現主機與設備間的通信。

　　固件程序設計成中斷驅動(dòng)模式，采用模塊化設計。

　　主循環(huán)

　　主循環(huán)中主要完成DSP的寄存器及端口初始化，向PDIUSBD12發(fā)送設置模式命令，接通SoftConnect。判斷是否接收到建立包(setup package)，若收到則調用標準請求處理程序進(jìn)行處理，若收到主機請求信號，則調用數據發(fā)送程序發(fā)送數據。

　　中斷處理程序

　　中斷處理程序是整個(gè)固件程序設計的重點(diǎn)。將DSP設置為下降沿觸發(fā)，當PDIUSBD12接收到主機發(fā)送的信息包時(shí)，觸發(fā)DSP進(jìn)入中斷。首先通過(guò)讀取PDIUSBD12的中斷寄存器判斷所發(fā)生中斷的類(lèi)型，然后根據具體的中斷類(lèi)型進(jìn)入相應的處理子程序。

　　標準請求處理程序

　　USB協(xié)議中規定了11條所有USB設備都必須支持的標準請求，這些請求都是通過(guò)端點(diǎn)0發(fā)送的。標準請求處理程序對主機發(fā)出的標準請求進(jìn)行響應，獲取設備的性能及狀態(tài)，并給設備分配地址且進(jìn)行相應配置，最終完成枚舉過(guò)程。

　　硬件接口及PDIUSBD12命令操作程序

　　硬件接口程序集成了DSP對PDIUSBD12的讀寫(xiě)操作，是整個(gè)固件程序中最底層也是使用最頻繁的部分，將它獨立成一個(gè)模塊編寫(xiě)極大地方便了程序在不同硬件平臺上的移植。值得注意的是：PDIUSBD12要求數據線(xiàn)上的數據建立時(shí)間和保持時(shí)間必須大于40nS，因此編程時(shí)需要插入至少4個(gè)軟件等待狀態(tài)。另外，因為PDIUSBD12的最小讀寫(xiě)周期為500nS，所以在每次對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作后必須增加適當的延時(shí)。

　　數據發(fā)送及接收程序

　　當用戶(hù)通過(guò)主機端應用程序向設備索要數據時(shí)，DSP調用數據發(fā)送子程序完成數據發(fā)送，針對發(fā)送數據量的大小，可以選擇使用端點(diǎn)1或者端點(diǎn)2完成。對于主機發(fā)送數據的接收，在端點(diǎn)0及端點(diǎn)1的IN中斷子程序中即可完成。發(fā)送數據子程序如下：

　　調試

　　固件程序對時(shí)間敏感，所以編程時(shí)要特別注意時(shí)序問(wèn)題。由于USB枚舉過(guò)程很快，如果連續三次接收不到應答包就結束枚舉，所以調試時(shí)要注意不能采用CCS的單步調試，可以采用斷點(diǎn)調試。調試過(guò)程之初經(jīng)常會(huì )遇到的一種狀況是指示燈閃爍三次以后熄滅，這說(shuō)明主機檢測到了設備連接，但無(wú)法和設備進(jìn)行對話(huà)來(lái)了解設備的信息。這表明固件程序還沒(méi)有開(kāi)始正常工作，需仔細檢查程序中的錯誤之處。