摘   要： 針對(duì)一般USB裝置只能在PC機(jī)周圍進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的限制，提出了基于USB OTG接口與STM32微控制器相結(jié)合的智能通信的設(shè)計(jì)方法。該方法是在基于Cortex內(nèi)核的32 bit RAM芯片STM32F107上集成USB OTG接口上實(shí)現(xiàn)，它利用了STM32集成度高、成本低、功耗低、開發(fā)方便、性能可靠和USB OTG雙角色特性等優(yōu)點(diǎn),解決了無PC機(jī)時(shí)USB從設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送難的問題。并在金牛開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)它與PC機(jī)以及U盤之間的通信，完成了USB嵌入式設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸。
關(guān)鍵詞： USB OTG； STM32F107； U盤

    移動(dòng)數(shù)據(jù)的交換和存儲(chǔ), 是近年來IT行業(yè)的熱點(diǎn)。隨著USB技術(shù)的產(chǎn)生，USB技術(shù)已逐漸應(yīng)用在移動(dòng)數(shù)據(jù)領(lǐng)域中。目前使用的USB移動(dòng)設(shè)備都只能通過PC機(jī)進(jìn)行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。隨著USB技術(shù)的逐漸成熟，人們希望通過移動(dòng)設(shè)備直接與USB外設(shè)通信, 使得USB能應(yīng)用在沒有PC的領(lǐng)域中。
    USB OTG(On The Go)[1]可滿足這些要求，即一個(gè)擁有OTG 功能的設(shè)備既可以扮演主機(jī)的角色操縱其他USB從設(shè)備，同時(shí)又可以擔(dān)當(dāng)從設(shè)備的角色接受主機(jī)的支配。例如,照相機(jī)可以直接連到USB打印機(jī)上打印數(shù)據(jù)。當(dāng)今USB主機(jī)的嵌入式應(yīng)用就成了USB領(lǐng)域新的研究焦點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)于便攜式設(shè)備、野外作業(yè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸將是一個(gè)重要突破?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/Cortex-M3" title="Cortex-M3" target="_blank">Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列的ARM嵌入式處理器因其高的性價(jià)比而正被廣泛應(yīng)用。將USB與ARM相結(jié)合是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案。本文重點(diǎn)討論基于STM32的USB OTG的數(shù)據(jù)通信。
1 USB OTG規(guī)范    
    USB OTG規(guī)范是USB 2.0規(guī)范的補(bǔ)充，它完全遵守USB 2.0規(guī)范的外圍設(shè)備。在USB OTG規(guī)范之下, 任意兩個(gè)符合規(guī)范的USB產(chǎn)品都可以互相連接進(jìn)行通信, 而不是必須通過PC機(jī)才能通信, 從而實(shí)現(xiàn)了各類USB產(chǎn)品完全脫離電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?br />     雙重角色設(shè)備必須具備有限的主機(jī)能力，同時(shí)還需要一個(gè)OTG目標(biāo)列表，即包括與之通信的設(shè)備信息、設(shè)備類型、制造商等。它支持會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議SRP和主機(jī)交換協(xié)議HNP。SRP協(xié)議用于B設(shè)備向A設(shè)備請(qǐng)求開始USB會(huì)話, HNP協(xié)議用于USB會(huì)話過程中在A設(shè)備和B設(shè)備之間傳遞主機(jī)地位[2]。
2 STM32的USB OTG全速控制器
    ST公司在基于ARM公司的Cortex-M3架構(gòu)上研發(fā)出32 bit STM32處理器后，憑借其豐富的外圍模塊、高速指令執(zhí)行速度、低功耗、低價(jià)格而備受市場(chǎng)青睞。2009年又推出了STM32F107互聯(lián)型系列微控制器，它集成了USB OTG接口，配合了USB HOST和SPI功能，讓微控制器可以讀取USB大容量外存、MP3播放器、SD記憶卡等文件。STM32F107芯片內(nèi)集成了USB OTG模塊功能圖如圖1所示。

    USB OTG全速控制器從復(fù)位和時(shí)鐘控制模塊(RCC)中獲得時(shí)鐘，微控制器內(nèi)核(CPU)通過AHB外設(shè)總線訪問OTG全速控制器的寄存器，USB事件由單獨(dú)的USB OTG中斷控制線通知微控制器內(nèi)核[3]。
    每個(gè)發(fā)送FIFO都配置了一個(gè)PUSH寄存器，微控制器以向PUSH寄存器寫32 bit數(shù)據(jù)的方式向USB控制器傳輸數(shù)據(jù)，每一個(gè)OUT端點(diǎn)或IN通道都有一個(gè)POP寄存器，微控制器通過讀POP寄存器獲得來自USB總線的32 bit數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)自動(dòng)從共享的接收FIFO中載入，接收FIFO位于總共1.25 KB的USB數(shù)據(jù)RAM區(qū)。
    USB協(xié)議層由串行接口控制器(SIE)驅(qū)動(dòng)，并連接到由內(nèi)置物理層(PHY)支持的USB全速/低速收發(fā)模塊。OTG PHY由OTG全速控制器控制，并通過UTMI+總線(UTMIFS)的全速子集來收發(fā)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)。它包括了上拉/下拉電阻的ECN電路。內(nèi)置了ID線的上拉電阻，用于區(qū)分是主機(jī)狀態(tài)還是設(shè)備狀態(tài)，若ID線浮空，內(nèi)置的上拉電阻將檢測(cè)到ID線的高電平，此時(shí)控制器處于默認(rèn)的設(shè)備模式下。若ID線接地。自動(dòng)切換到主機(jī)模式，并需要軟件初始化主機(jī)模式。
    DP/DM線內(nèi)置了上拉和下拉電阻[4]，在設(shè)備模式下，當(dāng)VBUS線上出現(xiàn)了有效的電平，控制器使能DP線的上拉電阻，向主機(jī)通告接入一個(gè)USB全速設(shè)備。在主機(jī)模式下，控制器同時(shí)使能DP和DM線的下拉電阻。上拉和下拉電阻可以在控制器通過主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)切換角色類型時(shí)動(dòng)態(tài)地切換。
3 USB OTG軟件設(shè)計(jì)
    STM32F107芯片集成了USB OTG功能，USB OTG固件程序的設(shè)計(jì)可以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃胁僮骷肮δ?。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中驅(qū)動(dòng)程序棧包括主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序棧、從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序棧、USB OTG驅(qū)動(dòng)程序棧。當(dāng)完成固定程序設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)軟件會(huì)根據(jù)硬件的連接檢查ID線的狀態(tài)來選擇工作模式是設(shè)備模式還是主機(jī)模式。程序流程圖如圖3所示。

    如果工作于主機(jī)模式下，則進(jìn)行相應(yīng)初始化、檢測(cè)端口，在檢測(cè)到有設(shè)備接入時(shí)復(fù)位總線、枚舉并配置從機(jī)設(shè)備，在完成對(duì)從機(jī)識(shí)別后，可通過查詢從機(jī)的OTG性能描述符判斷是否支持HNP協(xié)議(即是否為兩用OTG設(shè)備)。當(dāng)工作在從機(jī)狀態(tài)時(shí)則等待主機(jī)對(duì)其完成枚舉。本文是在STM32開發(fā)工具RealView MDK的基于STM32固件庫(kù)上進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)與U盤、PC機(jī)間的通信。
3.1 U盤讀寫的實(shí)現(xiàn)
    U盤屬于USB 大容量存儲(chǔ)設(shè)備，它具有容量大、可移動(dòng)、數(shù)據(jù)交互方便等優(yōu)點(diǎn)，因而實(shí)現(xiàn)與U盤的讀寫具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。要實(shí)現(xiàn)U盤讀寫，USB 主機(jī)必須具有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)[5],對(duì)各種讀寫指令進(jìn)行封裝、解釋和執(zhí)行。
    在系統(tǒng)進(jìn)入主機(jī)模式前應(yīng)先給開發(fā)板提供5 V供電,開啟系統(tǒng)時(shí)鐘、USB OTG時(shí)鐘,然后調(diào)用void HOST_Init (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev)函數(shù)將USB OTG初始化為主機(jī)模式，接著調(diào)用HOST_ChannelInit(USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev,USB_OTG_HC *pHost
Channel)初始化傳輸通道，其中包括總傳輸長(zhǎng)度、期望接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)、設(shè)備端點(diǎn)傳輸類型、速度、方向的配置。最后根據(jù)主機(jī)傳輸協(xié)議在初始化通道內(nèi)進(jìn)行傳輸,可以調(diào)用下列函數(shù)uint32_t HOST_StartXfer (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev, USB_OTG_HC *pHostChannel)進(jìn)行通信。
    U盤是大容量存儲(chǔ)設(shè)備，支持Bulk-Only 傳輸協(xié)議，USB主機(jī)在能夠正確操縱U盤之前必須先完成USB總線的枚舉，在控制傳輸階段先獲取從設(shè)備的信息，然后根據(jù)這些信息對(duì)從設(shè)備進(jìn)行重配置后, 才能建立主從通信。此外, 程序中還要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Mass Storge 類協(xié)議中的磁盤操作命令UFI, 它能完成讀、寫、格式化磁盤等。最后建立了FATFS 文件系統(tǒng),它兼容了FAT16、FAT32文件系統(tǒng)，它是UFI 與移動(dòng)盤上文件數(shù)據(jù)連接的橋梁, UFI命令的所有數(shù)據(jù)流只有按照FATFS 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸, 才能順利實(shí)現(xiàn)文件讀、寫等功能。
    程序中實(shí)現(xiàn)U盤的BOT傳輸，除了規(guī)定控制傳輸端點(diǎn)0之外，還定義了輸入、輸出端點(diǎn)，BOT狀態(tài)機(jī)的5個(gè)狀態(tài)，兩個(gè)狀態(tài)寄存器CBW、CSW。端點(diǎn)輸出中斷程序完成寫U盤，端點(diǎn)輸入完成讀U盤操作。其流程圖分別如圖4、圖5所示。

3.2 與PC機(jī)之間通信
    與PC機(jī)進(jìn)行通信，系統(tǒng)作為USB從設(shè)備時(shí), 要應(yīng)答PC主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求、處理USB總線事務(wù)和用戶功能[6]。首先調(diào)用void USB_OTG_USBD_Init ()將USB OTG工作模式配置成從機(jī)模式，接著調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)API函數(shù)USB_OTG_USBD_EP_Open ()來激活端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，USB OTG定義了三個(gè)端點(diǎn), 程序中定義端點(diǎn)0在控制傳輸中應(yīng)答設(shè)備枚舉，端點(diǎn)1的功能為向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù), 端點(diǎn)2的功能為接受PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。PC主機(jī)枚舉系統(tǒng)設(shè)備時(shí), 必須先獲得USB OTG端點(diǎn)的配置參數(shù)。最后通過調(diào)用如下的PCD層API函數(shù)完成SETUP包、IN包、OUT包的傳輸。
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Read();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Write();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Stall();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_ClrStall();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Flush();
    本文采用意法半導(dǎo)體公司互聯(lián)型控制芯片STMF107集成的USB OTG接口, 在基于金牛開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，作為從設(shè)備, PC機(jī)端的應(yīng)用程序可以通過USB OTG 開發(fā)板的SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，可穩(wěn)定在500 kb/s；作為主機(jī), 可以枚舉連接到USB OTG 接口上的U盤實(shí)現(xiàn)了對(duì)U盤的讀寫,最高讀寫速率可達(dá)800 kb/s。
    本文利用了STM32F107芯片高度集成的USB OTG接口，其開發(fā)系統(tǒng)性能好、可靠性高、開發(fā)方便，開發(fā)者只需在軟件上編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)STM32芯片提供了相關(guān)固件庫(kù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)提高了效率。本文的創(chuàng)新點(diǎn)就在于充分結(jié)合和利用了STM32處理器低成本、低功耗、高可靠性與USB OTG技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于已經(jīng)編程實(shí)現(xiàn)的主機(jī)、從機(jī)棧程序有很好的移植性， 對(duì)于以后數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_發(fā)具有很好的參考性。將USB與STM32相結(jié)合實(shí)現(xiàn)USB嵌入式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，將會(huì)在移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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