由于人們對(duì)數(shù)字形式信息的需求量越來(lái)越大,數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用技術(shù)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展。USB通信正向高速、方便快捷、穩(wěn)定可靠的方向發(fā)展。目前,大多數(shù)USB設(shè)備都是需要與PC機(jī)相連進(jìn)行通信,而USB設(shè)備之間的通信則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于一些處在特殊環(huán)境下的稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)升級(jí),PC機(jī)很不方便實(shí)現(xiàn),因此迫切要求開發(fā)出能夠識(shí)別USB設(shè)備的主機(jī)端口。這樣使用U盤等設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在AT91SAM7X256控制器的基礎(chǔ)上,增加了主機(jī)端口,適用于工礦企業(yè)中稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)更新和系統(tǒng)升級(jí)。
1 系統(tǒng)整體方案
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線,提供一種兼容不同速度的、可擴(kuò)充的,使用方便的外圍設(shè)備接口,同時(shí)也是為解決計(jì)算機(jī)接口太多等問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。在嵌入式系統(tǒng)中如果處理器集成了OHCI標(biāo)準(zhǔn)的USB主機(jī)控制器,則直接就可以引出USB主控端口:而對(duì)于沒有集成的處理器,則需要使用USB主控器件,從總線上擴(kuò)展USB主機(jī)接口。很多IC制造商都提供這種主控器件,如Scanlogic公司的SL811HS/T等。在編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí),可以分為3部分編寫:主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于一些不具備USB主機(jī)端口的設(shè)備,為了實(shí)現(xiàn)通信的方便、快捷性,如與U盤直接通信等設(shè)備是完全有必要在原來(lái)設(shè)備的基礎(chǔ)上擴(kuò)展USB主機(jī)端口。
該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由電源、復(fù)位、時(shí)鐘電路、以太網(wǎng)口、USB主機(jī)和設(shè)備端口以及串口組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中,以太網(wǎng)口用于將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)行遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。將設(shè)備的數(shù)據(jù)接入Internet,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,適用于工礦企業(yè)設(shè)備的集中化管理和維護(hù)。USB主機(jī)端口通過(guò)主機(jī)控制器SL811HS/T與控制器AT9lSAM7X256相連,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。USB設(shè)備端口作為與PC機(jī)通信的接口。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新在于該設(shè)備拋開了PC機(jī),既可作為主機(jī),也可作為外設(shè),并與其他0TG設(shè)備直接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
USB主機(jī)與設(shè)備之間的通信最終都是通過(guò)USB主機(jī)控制器和USB設(shè)備的總線接口間的電纜實(shí)現(xiàn)的,任何一個(gè)輸出請(qǐng)求都是由主機(jī)控制器組成包的形式發(fā)往總線的。USB,總線中只有一個(gè)主機(jī),它是USB樹形結(jié)構(gòu)的根,通過(guò)一個(gè)根HUB提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn),由其連接各個(gè)USB設(shè)備。
2.1 核心器件選型
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Scanlogic公司的SL811HS/T作為USB主機(jī)接口器件,該器件是既能用作Host模式又能用作Slave模式的,具有標(biāo)準(zhǔn)微處理器總線接口USB控制器,適用于非PC設(shè)備在Host模式下,它支持嵌入式主機(jī)與USB外圍設(shè)備的通信,在Slave模式下,可作為主機(jī)的一個(gè)外設(shè)。SL811HS具有以下特點(diǎn):是遵循USBl.1協(xié)議的嵌入式USB Host/Slave器件;提供8 bit寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持,方便與微處理器、微控制器連接;通過(guò)硬件設(shè)置或軟件設(shè)置,工作在Host或Slave模式;自動(dòng)探測(cè)所接設(shè)備是低速設(shè)備還是高速設(shè)備:8 bit雙向數(shù)據(jù)總線;片上SI-E、USB收發(fā)器;軟件控制下運(yùn)行為單個(gè)USB主或從設(shè)備主機(jī)或從設(shè)備模式有1.5 Mb/s的低速,12 Mb/s的全速,自動(dòng)識(shí)別低速和全速設(shè)備8位雙向數(shù)據(jù),工作于12 MHz或48 MHz晶振或振蕩器。
微處理器是系統(tǒng)核心,其性能直接決定該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性和可靠性?;诒鞠到y(tǒng)對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求。選用ATMEL公司的AT9lSAM7X256單片機(jī)。它具有以下特點(diǎn):1)內(nèi)部集成ARM7TDMI ARM Thumb處理器,支持嵌入式ICE內(nèi)電路仿真以及調(diào)試通信接口:2)復(fù)位控制器(RSTC),基于上電復(fù)位單元,提供外部信號(hào)整形和復(fù)位源狀態(tài);3)時(shí)鐘發(fā)生器(CKGR),低功耗RC振蕩器,3~20 MHz片上振蕩器和1個(gè)PLL;4)電源管理控制器(PMC),具有電源優(yōu)化功能,包括慢速時(shí)鐘模式(低于500 Hz)和空閑模式,4個(gè)可編程外部時(shí)鐘信號(hào);5)USB2.0全速(每秒12Mbit)設(shè)備接口,具有片上收發(fā)器,大小為1 352字節(jié)的可配置成FIF0;6)10/100base-T(Mb/s)的以太網(wǎng)口;7)提供片上1.8 V穩(wěn)壓器,
為內(nèi)核及外部組件提供高達(dá)100 mA的電流,3.3 V VDDIO提供I/O線電源,獨(dú)立的3.3 V VDDFLASH提供Flash電源,具有掉電檢測(cè)的1.8 V VDDCORE提供內(nèi)核電源。
2.2 AT91SAM7X256的USB設(shè)備端口設(shè)計(jì)
AT91SAM7X256的USB設(shè)備端口原理圖,如圖2所示。由于AT91SAM7X256支持USB2.0全速(每秒12 Mbit)設(shè)備接口,故AT91SAM7X256的2個(gè)引腳DDM和DDP與外界USB相連,直接實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備端口。
由USB接口輸入5 V直流電源,二極管VD1用于限制電源的導(dǎo)通方向,經(jīng)過(guò)C18、C19濾波,然后經(jīng)過(guò)SPXll7M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3 V。為了降低噪聲和出錯(cuò)率,應(yīng)隔離模擬電源與數(shù)字電源,圖3中的L1和L2用于電源隔離元件(將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離)。SPXll7M-3.3是Sipex公司的LDO器件,其特點(diǎn)為輸出電流大,輸出電壓精度高穩(wěn)定性高。SPXll7M系列LD0器件輸出電流可達(dá)800 mA,具有電流保護(hù)和熱保護(hù)功能,可廣泛應(yīng)用于數(shù)字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。
2.3 USB主機(jī)端口設(shè)計(jì)
AT91SAM7X256的USB主機(jī)端口原理圖,如圖3所示。SL811HS/T選用48引腳的TQFP封裝形式,SL811HS/T既能用作Host模式又能用作Slave模式。將SL811HS/T的M/S引腳接地,即設(shè)為低電平信號(hào)(M/S=0),選擇作為主機(jī)端口。
SL811HS/T的D0~D7端口為雙向數(shù)據(jù)I/O端口,與控制器的PAl0~PAl7端口相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。SL811HS/T的nRD引腳與AT91SAM7X256的PA9相連,nWR引腳與AT9lSAM7X256的PA8相連,SL811HS/T的nCS引腳與AT91SAM7X256的PA7相連,AO引腳與AT91SAM7X256的PA6相連,控制SL811HS/T的讀寫狀態(tài),如圖4所示。
訪問(wèn)存儲(chǔ)器和控制寄存器的空間時(shí),先設(shè)A0=0后寫地址,接下來(lái)設(shè)A0=1,再進(jìn)行寄存器/存儲(chǔ)器讀/寫周期。當(dāng)nWR或nCS處于無(wú)效時(shí),SL811HS寫或讀操作終止。對(duì)于連接到SL81lHS的設(shè)備,在write nWR信號(hào)之前取消片選nCS,數(shù)據(jù)將一直保持并與指定的值相同。SL811HS/T的nRST引腳與AT91SAM7X256的PAl8相連,實(shí)現(xiàn)軟件低電平復(fù)位功能。SL811HS/T的引腳7、8與USB接口的DATA+,DATA-相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。S-L811HS/T的Clk/X1引腳和X2引腳與外接12 MHz晶振相連。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序3部分組成。主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,它是主機(jī)環(huán)境中為用戶應(yīng)用程序提供一個(gè)訪問(wèn)USB外設(shè)的接口。Linux為這部分驅(qū)動(dòng)程序提供編程接口,設(shè)計(jì)者只要按照需求編寫驅(qū)動(dòng)程序框架,通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)提供的APl接口函數(shù)可以完成對(duì)USB外設(shè)的特定訪問(wèn)。
3.1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架
圖5所示Linux中USB驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)。Linux USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)由3部分組成:USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng),USB驅(qū)動(dòng)和不同的USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)。USB驅(qū)動(dòng)程序首先要向Linux內(nèi)核進(jìn)行注冊(cè)自己,并告之系統(tǒng)該驅(qū)動(dòng)程序所支持的設(shè)備類型及其所支持的操作。這些信息通過(guò)usb_driver結(jié)構(gòu)傳遞。
3.2 注冊(cè)和注銷
USB驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè),就是把在初始化函數(shù)中填好的use_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給use_register()函數(shù)即可,函數(shù)的調(diào)用方法為:result =usb_register(&skel_driver);當(dāng)要從系統(tǒng)卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí),也是將use_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給usb_deregister函數(shù)處理。函數(shù)的調(diào)用格式為:
當(dāng)USB設(shè)備插入時(shí),為了使linux-hotplug系統(tǒng)自動(dòng)裝載驅(qū)動(dòng)程序,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下(這個(gè)模塊僅支持某一特定設(shè)備):
3.3 probe()函數(shù)
probe()函數(shù)的編寫格式為:static void*skel_probe(struct usb_device*dev,unsigned int ifnum,const struct usb_device_id* id);驅(qū)動(dòng)程序需要確認(rèn)插入的設(shè)備是否可以被接收,如果不接收,或者在初始化的過(guò)程中發(fā)生任何錯(cuò)誤,probe()函數(shù)返回一個(gè)NULL值。否則返回一個(gè)含有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序狀態(tài)的指針,通過(guò)這個(gè)指針,就可以訪問(wèn)所有結(jié)構(gòu)中的回調(diào)函數(shù)。
在驅(qū)動(dòng)程序里,最后一點(diǎn)是要注冊(cè)devfs(設(shè)備文件系統(tǒng))。首先創(chuàng)建一個(gè)緩沖用來(lái)保存那些被發(fā)送給USB設(shè)備的數(shù)據(jù)和那些從設(shè)備上接收的數(shù)據(jù),并為設(shè)備傳輸創(chuàng)建一個(gè)USB請(qǐng)求塊(URB)以向設(shè)備寫入數(shù)據(jù),同時(shí)USB urb被初始化,然后在devfs子系統(tǒng)中注冊(cè)設(shè)備,允許devfs用戶訪問(wèn)USB的設(shè)備。注冊(cè)過(guò)程如下:
如果devfs_register函數(shù)失敗,devfs子系統(tǒng)會(huì)將此情況報(bào)告給用戶。如果設(shè)備從USB總線拔掉,設(shè)備指針會(huì)調(diào)用disconnect函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序就需要清除那些被分配了的所有私有數(shù)據(jù),關(guān)閉urbs,并且從devfs上注銷調(diào)自己。
3.4 open(),write()和read()函數(shù)
首先,要打開此設(shè)備。在open()函數(shù)中MODULE_INC_USE_COUNT宏是一個(gè)關(guān)鍵,它起到一個(gè)計(jì)數(shù)的作用,有一個(gè)用戶態(tài)程序打開一個(gè)設(shè)備,計(jì)數(shù)器就加1。read()函數(shù)首先從open()函數(shù)中保存的fi。write()函數(shù)和read()函數(shù)是完成驅(qū)動(dòng)對(duì)讀寫等操作的響應(yīng)。在skel write中,一個(gè)FLL_BULK_URB函數(shù),就完成了urb系統(tǒng)callbak和的skel_write_bulk_callback之間的聯(lián)系。read函數(shù)與write函數(shù)稍有不同在于:程序并沒有用urb將數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到驅(qū)動(dòng)程序,而是用usb_bulk_msg函數(shù)代替,這個(gè)函數(shù)能夠不需要?jiǎng)?chuàng)建urbs和操作urb函數(shù)的情況下,來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備,或者從設(shè)備來(lái)接收數(shù)據(jù)。調(diào)用usb_bulk_msg函數(shù)并傳到一個(gè)存儲(chǔ)空間,用來(lái)緩沖和放置驅(qū)動(dòng)收到的數(shù)據(jù),若沒有收到數(shù)據(jù)表示失敗并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。usb_bulk_msg函數(shù),當(dāng)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行一次讀或者寫時(shí),usb_bulk_msg函數(shù)是非常有用的;然而,當(dāng)需要連續(xù)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀/寫時(shí),應(yīng)建立一個(gè)自己的urbs,同時(shí)將urbs提交給USB子系統(tǒng)。
MOD_DEC_USE_COUNT宏也會(huì)被調(diào)用到,首先確認(rèn)當(dāng)前是否有其他的程序正在訪問(wèn)這個(gè)設(shè)備,如果是最后一個(gè)用戶在使用,可以關(guān)閉任何正在發(fā)生的寫,操作如下:
USB設(shè)備可以在任何時(shí)間點(diǎn)從系統(tǒng)中取走,即使程序目前正在訪問(wèn)它。USB驅(qū)動(dòng)程序必須要能夠很好地處理解決此問(wèn)題,它需要能夠切斷任何當(dāng)前的讀寫,同時(shí)通知用戶空間程序:USB設(shè)備已經(jīng)被取走。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn),該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,傳輸速度快且具有極低的誤碼率。利用邏輯分析儀和Bus Hound軟件進(jìn)行相應(yīng)的邏輯功能分析,USB主機(jī)與設(shè)備之間可以正常通信。因?yàn)檎麄€(gè)電路主要應(yīng)用于稱重系統(tǒng),所以著重測(cè)試了控制傳輸和批量傳輸這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。批量傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1 Mb/s,這是傳輸帶寬的限制和數(shù)據(jù)包中冗余信息的存在所導(dǎo)致的??傮w來(lái)講,1 Mb/s的傳輸速率還是令人滿意的。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)以AT91SAM7X256單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì),采用SL811HS/T主控器件,實(shí)現(xiàn)了USB主機(jī)端口的擴(kuò)展,使稱重設(shè)備中同時(shí)具有USB設(shè)備端和主機(jī)端口,因此,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,實(shí)現(xiàn)稱重設(shè)備數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)升級(jí)的可靠、快捷,適合工礦企業(yè)特殊環(huán)境下設(shè)備數(shù)據(jù)的更新,便于對(duì)設(shè)備的管理和維護(hù)。并在稱重系統(tǒng)中引入U(xiǎn)SB主機(jī)端口具有非常實(shí)用的特點(diǎn)。因此,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用前景。