USB(Universial Serial Bus)是一種通用總線系統(tǒng)，由于它具有支持熱插拔、數(shù)據(jù)傳輸快速、性能可靠、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣泛的PC機(jī)外設(shè)擴(kuò)展接口之一，它是實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐虢涌??；谏鲜龇治?，提出了基于Blackfin532和Netc-hip2272的USB接口電路設(shè)計(jì)方案。
1 USB接口電路的硬件設(shè)計(jì)
1．1 Blackfin532DSP處理器簡(jiǎn)介
文中DSP處理器選用Blaclkfin532，它是ADI(Analog Device Instruments)公司推出的一款高性能、低功耗定點(diǎn)處理器，內(nèi)核時(shí)鐘頻率最高可達(dá)400 MHz，具有兩個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元(ALU)，及4個(gè)8位視頻ALU，兩個(gè)16位硬件乘法器，兩個(gè)40位累加器，是具有較高性價(jià)比的DSP處理器。Blackfin532片上集成了84 kB的RAM，可尋址空間為4 GB，可與多種存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。此外，片上集成了多個(gè)外設(shè)接口，具體包括1個(gè)UART口，1個(gè)SPI口，2個(gè)串行口(Sports)，4個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，1個(gè)并行外設(shè)接口等。
1．2 Netchip2272簡(jiǎn)介
文中USB接口芯片選用了Netchip2272。它在片上集成了USB收發(fā)模塊，串行接口引擎(SIE)，USB協(xié)議控制器，端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，本地總線接口模塊等。同時(shí)還集成了大量的寄存器，使得對(duì)它的操作變得簡(jiǎn)單。Netchip2272具有如下特點(diǎn)
(1)支持全速／高速數(shù)據(jù)傳輸模式。
(2)具有3個(gè)可配置的物理端點(diǎn)，及30個(gè)邏輯端點(diǎn)。
(3)片上集成了3 kB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持雙緩沖模式。
(4)可方便地與通用微處理器進(jìn)行連接。
在Blackfin533的EZ-KIT開(kāi)發(fā)板中也采用了Blackfin533和Netchip2272實(shí)現(xiàn)USB接口電路，但EZ-KIT開(kāi)發(fā)板中使用了設(shè)備管理器等，使得程序變得較大，在Blackfin533和Netchip2272之外，需要大約8 MB的存儲(chǔ)空間來(lái)存放部分程序和支持程序運(yùn)行時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間的要求，這就需要在外部添加一塊SDRAM。同時(shí)，在EZ-KIT開(kāi)發(fā)板的例程中只提供了USB接口電路的基于設(shè)備管理器的頂層源代碼，對(duì)于Blackfin533如何控制Netehip2272實(shí)現(xiàn)設(shè)備的枚舉和數(shù)據(jù)傳輸則沒(méi)有提供底層的源代碼，這些都使得開(kāi)發(fā)板中提供的USB接口電路方案，在實(shí)際應(yīng)用中不方便。文中所提出的USB接口電路方案中則沒(méi)有使用設(shè)備管理器，這使得程序比例程中的程序要小得多，且不需要使用SDRAM，從而使得硬件電路變得
更加簡(jiǎn)單。由于沒(méi)有使用設(shè)備管理器且在程序編寫(xiě)過(guò)程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，固件程序的可移植性增強(qiáng)了。
1．3 USB接口電路的原理
USB接口電路的硬件連接原理圖如圖2所示，其中D0～D15是Blackfin532和Netchip2272的數(shù)據(jù)線，A1～A5是地址線，PF10和PF11是Black-tln532的PF(Programmable Flags)口的第10、ll管腳，分別用作Netehip2272的中斷輸入管腳和復(fù)位控制管腳，ASMl是Blacktin532的異步存儲(chǔ)塊1的片選信號(hào)用作Netehip2272的片選信號(hào)，IOW，IOR是Blackfin532的寫(xiě)、讀選通輸出信號(hào)用作Netchip2272的寫(xiě)選通和讀選通信號(hào)。IRQ是Netehip2272的中斷輸出信號(hào)，RESET是它的復(fù)位輸入信號(hào)，CS是它的片選信號(hào)，D+，D-是USB總線的差分?jǐn)?shù)據(jù)線，VCC和GND分別是它的電源線和地線。
Blackfin532和Netchip2272的數(shù)據(jù)交換采用中斷驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)2272發(fā)生了特定的某些事件如收到主機(jī)發(fā)送的Setup包，收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包等，需要Blackfin 532對(duì)事件進(jìn)行處理時(shí)，2272在其IRQ管腳產(chǎn)生1個(gè)低電平，與它相連接的PF10管腳在檢測(cè)到此低電平之后。在DSP內(nèi)部產(chǎn)生中斷，DSP在中斷處理函數(shù)內(nèi)部讀取2272相關(guān)寄存器的值，并根據(jù)這些寄存器的值對(duì)發(fā)生的事件作出相應(yīng)的處理，完成USB設(shè)備的枚舉和數(shù)據(jù)的傳輸。
2 USB接口電路的軟件設(shè)計(jì)
接口電路的軟件設(shè)計(jì)包括固件程序和PC端的驅(qū)動(dòng)程序。固件程序的設(shè)計(jì)需要對(duì)硬件電路和USB的通信協(xié)議比較熟悉，因而開(kāi)發(fā)起來(lái)難度比較大，這里對(duì)固件程序的開(kāi)發(fā)作以介紹。
2．1 固件程序
設(shè)備的固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備端CPU中的程序，它主要用來(lái)完成對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包的類型，內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別和分析，并在分析的基礎(chǔ)上對(duì)主機(jī)的請(qǐng)求做出相應(yīng)的處理，完成設(shè)備的枚舉，讀取主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。固件程序的流程圖如圖3所示。
固件程序主要包括初始化和中斷服務(wù)程序兩部分；
2．1．1 初始化
初始化程序用以對(duì)Blackfin532和Netchip2272進(jìn)行初始化設(shè)置。
(1)對(duì)Blaekfin532進(jìn)行軟復(fù)位，對(duì)PLL(Phase Locked Loop)，EBIU(External Bus Interface Unit)，PF口進(jìn)行設(shè)置，以及使能PF10引起的中斷。
(2)對(duì)Netchip2272進(jìn)行軟復(fù)位，對(duì)本地總線控制寄存器(LOCCTL，LOCCTL1)，USB控制寄存器(USB_CTL0，USBCTL1)，端點(diǎn)0的寄存器進(jìn)行設(shè)置，在中斷使能寄存器(IRQENDO，IRQENBl)中使能相應(yīng)的中斷。
2．1．2 中斷服務(wù)程序
中斷服務(wù)程序主要是用來(lái)處理主機(jī)的Setup標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，將主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)讀到Blacldin532中和將Blackfin532中的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。
主機(jī)要和USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換首先要正確的識(shí)別USB設(shè)備，這需要經(jīng)過(guò)一個(gè)枚舉過(guò)程，這個(gè)過(guò)程主要通過(guò)主機(jī)向設(shè)備發(fā)送Setup請(qǐng)求，設(shè)備對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)來(lái)完成。
(1)USB設(shè)備加電，連接到主機(jī)的—個(gè)集線器端口。
(2)主機(jī)檢測(cè)到新設(shè)備連接后，總線復(fù)位。
(3)主機(jī)使用默認(rèn)地址(地址O)讀取設(shè)備描述符。
(4)主機(jī)給設(shè)備分配一個(gè)地址，在以后的通信里設(shè)備就只對(duì)這個(gè)地址的信息作出應(yīng)答。
(5)主機(jī)從新的地址獲取設(shè)備描述符。
(6)主機(jī)讀取配置描述符。
(7)主機(jī)讀取配置描述符集合，主機(jī)除了讀取配置描述符之外，還要讀取接口描述符及端點(diǎn)描述符。
(8)主機(jī)設(shè)置設(shè)備的配置。
在中斷服務(wù)程序中首先判斷是何種類型的中斷，如果是Setup請(qǐng)求中斷，則調(diào)用函數(shù)setup_handler()進(jìn)行處理，函數(shù)的參數(shù)為設(shè)備接收到的Setup數(shù)據(jù)包的第3～第8 bit(Setup～Setup)。在setup_handler()函數(shù)中根據(jù)Setup數(shù)據(jù)包的內(nèi)容跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的分支，對(duì)Setup請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。使用軟件Bushound5．0對(duì)設(shè)備的枚舉過(guò)程進(jìn)行觀察，捕獲的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖4所示。
Bushound5．0只捕獲到了設(shè)備枚舉過(guò)程中主機(jī)發(fā)出獲取配置描述符請(qǐng)求及之后的數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)是主機(jī)發(fā)出獲取配置描述符請(qǐng)求到主機(jī)發(fā)出設(shè)置配置請(qǐng)求之間的數(shù)據(jù)。
USB設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)Netchip2272接收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包之后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給Blackfin532，Blackfin532在中斷服務(wù)程序中查詢相應(yīng)的寄存器得知接收到數(shù)據(jù)包之后，直接將接收到的數(shù)據(jù)包讀到Blackfin532中。USB設(shè)備需要向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到輸入端點(diǎn)的Buffer中，當(dāng)主機(jī)向相應(yīng)的輸入端點(diǎn)發(fā)送In Token時(shí)，Buffe中的數(shù)據(jù)包就返回給了主機(jī)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后Netehip2272會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給Blackfin532，在中斷處理函數(shù)中將全局變量Tx_data_flag的相應(yīng)位置1，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功。
2．2 驅(qū)動(dòng)程序
驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)是復(fù)雜的，選用Jungo的WindowsDriver，在Windows Driver檢測(cè)到枚舉成功的設(shè)備之后，輸入設(shè)備的廠商ID(VID)和產(chǎn)品ID(PID)，即可生成一個(gè)inf文件，將設(shè)備的PID和VID與設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序綁定在一起，當(dāng)設(shè)備通過(guò)設(shè)備描述符將VID，PID傳送給主機(jī)之后，主機(jī)就可以據(jù)此找到設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序了。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
設(shè)備枚舉成功之后，利用BusView觀察到的設(shè)備的配置情況如圖5所示。
USB設(shè)備一共有6個(gè)端點(diǎn)，這里僅列出其中兩個(gè)端點(diǎn)的描述符，其他的和這兩個(gè)類似。BusView顯示的設(shè)備配置情況和固件程序中對(duì)設(shè)備的配置情況完全一致，這表明設(shè)備的枚舉過(guò)程是正確的。
通過(guò)使USB設(shè)備循環(huán)的向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)USB輸入到主機(jī)方向的數(shù)據(jù)傳輸，利用Bushound5．0捕獲的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示。圖中的數(shù)據(jù)顯示USB設(shè)備循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)是00 01 02 03 04 05 06 07 08 09，在Windows Driver中對(duì)相應(yīng)的管道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，收到的數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)傳輸完全正確。對(duì)于主機(jī)輸出到USB設(shè)備方向的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行了檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳輸也完全正確。這表明基于Blackfin532和Netc-hip2272的USB接口電路的方案是可行的。
4 結(jié)束語(yǔ)
基于Blackfin532和Netchip2272的USB接口電路具有數(shù)據(jù)傳輸快速、可靠、接口電路簡(jiǎn)單、固件程序的可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。