基于DSP和專(zhuān)用接口芯片的USB實(shí)現(xiàn)方案

引言

各種測(cè)量?jī)x器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)常常需要傳送到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存檔，以充分利用PC機(jī)豐富的硬件和軟件資源，獲得更為完善和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析和存儲(chǔ)能力。傳統(tǒng)PC平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡受PC機(jī)插槽數(shù)目、地址、中斷等硬件和軟件資源的限制，可擴(kuò)展性較差，安裝拆卸困難，成本高。
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(kuò)展的突出優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，從1998年開(kāi)始，USB接口進(jìn)入測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，并逐步被許多著名儀器公司接納。在測(cè)量?jī)x器中擴(kuò)展USB接口已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)不同的測(cè)量?jī)x器，尋求一種普遍適用的USB接口解決方案，對(duì)于測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

方案選擇
開(kāi)發(fā)USB設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(duì)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(duì)不同的硬件環(huán)境可以配合多種MCU使用，如單片機(jī)、DSP、FPGA都可以。綜合各方面因素考慮，本設(shè)計(jì)選用第三種方式，即采用專(zhuān)用USB接口芯片為測(cè)量?jī)x器擴(kuò)展USB接口。

硬件設(shè)計(jì)
USB控制器

USB控制器通過(guò)控制USB接口芯片實(shí)現(xiàn)協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。在本設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)算功能，擴(kuò)展浮點(diǎn)精度可達(dá)40位。

USB接口芯片
USB接口芯片用以完成USB通信底層的數(shù)據(jù)鏈路級(jí)交換，并對(duì)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(xiàn)高速并行接口(2Mb/s)，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)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(xiǎn)和成本，是開(kāi)發(fā)高效低成本的USB外圍設(shè)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(qū)，是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)。
接口電路

DSP與PDIUSBD12的連接如圖1所示。采用單獨(dú)地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)配置，即用DSP的某地址線(xiàn)控制PDIUSBD12的A0引腳，實(shí)現(xiàn)命令數(shù)據(jù)的選擇。A0=1表示傳送命令，A0=0表示傳送數(shù)據(jù)。片選（CS ）及掛起(SUSPEND)信號(hào)分別由DSP的I/O口控制。讀寫(xiě)選通信號(hào)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(jié)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(shè)計(jì)中選用PAGE1，通過(guò)對(duì)不同地址的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)區(qū)分對(duì)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(shù)據(jù)，另外一個(gè)用來(lái)從PDIUSBD12讀數(shù)據(jù)。對(duì)DSP而言，PDIUSBD12就相當(dāng)于一個(gè)有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和3個(gè)地址的存儲(chǔ)器件。

設(shè)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(cè)USB設(shè)備是否已經(jīng)連接到USB口。
軟件設(shè)計(jì)
USB軟件設(shè)計(jì)包括固件（firmware）程序、PC端的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。其中固件程序要求編寫(xiě)者對(duì)復(fù)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(xì)介紹。
固件編程
固件程序是寫(xiě)入MCU內(nèi)的程序，使MCU可以完全按照USB協(xié)議，識(shí)別接收到的信息包類(lèi)型，對(duì)包的內(nèi)容、意義進(jìn)行分析，并按照要求完成相應(yīng)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(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與設(shè)備間的通信。
固件程序設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)模式，采用模塊化設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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(shè)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(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序進(jìn)行處理，若收到主機(jī)請(qǐng)求信號(hào)，則調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送程序發(fā)送數(shù)據(jù)。
中斷處理程序
中斷處理程序是整個(gè)固件程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。將DSP設(shè)置為下降沿觸發(fā)，當(dāng)PDIUSBD12接收到主機(jī)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(jù)具體的中斷類(lèi)型進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序。中斷處理程序流程圖如圖3所示。

標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序
USB協(xié)議中規(guī)定了11條所有USB設(shè)備都必須支持的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，這些請(qǐng)求都是通過(guò)端點(diǎn)0發(fā)送的。標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序?qū)χ鳈C(jī)發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，獲取設(shè)備的性能及狀態(tài)，并給設(shè)備分配地址且進(jìn)行相應(yīng)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(duì)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(dú)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(tái)上的移植。值得注意的是：PDIUSBD12要求數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)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?yàn)镻DIUSBD12的最小讀寫(xiě)周期為500nS，所以在每次對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作后必須增加適當(dāng)?shù)难訒r(shí)。

數(shù)據(jù)發(fā)送及接收程序
當(dāng)用戶(hù)通過(guò)主機(jī)端應(yīng)用程序向設(shè)備索要數(shù)據(jù)時(shí)，DSP調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序完成數(shù)據(jù)發(fā)送，針對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，可以選擇使用端點(diǎn)1或者端點(diǎn)2完成。對(duì)于主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)子程序如下：

調(diào)試
固件程序?qū)r(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(xù)三次接收不到應(yīng)答包就結(jié)束枚舉，所以調(diào)試時(shí)要注意不能采用CCS的單步調(diào)試，可以采用斷點(diǎn)調(diào)試。調(diào)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(jī)檢測(cè)到了設(shè)備連接，但無(wú)法和設(shè)備進(jìn)行對(duì)話(huà)來(lái)了解設(shè)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(xì)檢查程序中的錯(cuò)誤之處。

調(diào)試過(guò)程之初，可以使用以下兩種方法檢測(cè)硬件連接是否正確：
1. 使用命令字FDh讀取PDIUSBD12的ID號(hào)，正常狀態(tài)下讀出的兩個(gè)字節(jié)應(yīng)該為12H和10H。
2. 通過(guò)設(shè)置PDIUSBD12工作模式，改變輸出時(shí)鐘頻率。在CLKout引腳測(cè)量輸出波形，觀(guān)察是否與設(shè)置值相符。
若以上兩條滿(mǎn)足，則說(shuō)明硬件連接基本沒(méi)有問(wèn)題。

PC端軟件
PC端軟件包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分。
系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序是基于WDM (Windows Driver Model) 驅(qū)動(dòng)程序模型設(shè)計(jì)的，包括四個(gè)模塊：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊和I/O功能模塊。本設(shè)計(jì)選用輔助工具DriverStudio，它能很好地和DDK結(jié)合，編程思路也比較清晰。首先使用驅(qū)動(dòng)向?qū)В―riverWizard）建立項(xiàng)目，設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)型，設(shè)置USB設(shè)備的VID（Vendor ID）和PID（Product ID）及其各端點(diǎn)的屬性。給端點(diǎn)2增加讀寫(xiě)函數(shù)代碼。這樣就創(chuàng)建了一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的總體框架。再對(duì)生成的代碼進(jìn)行修改編譯和測(cè)試，完成USB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。
應(yīng)用程序是為了實(shí)現(xiàn)用戶(hù)和設(shè)備的接口，基本功能包括檢測(cè)USB設(shè)備、開(kāi)啟或閉合USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)以及顯示數(shù)據(jù)等。程序使用VC++編寫(xiě)，調(diào)用Win32的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的通信。使用PHILIPS公司提供的EasyD12.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以使開(kāi)發(fā)過(guò)程更加輕松快捷。

結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸平均速率達(dá)到130kb/s，完全可以滿(mǎn)足一般測(cè)量?jī)x器的需要。此項(xiàng)接口設(shè)計(jì)方案具有良好的可移植性，針對(duì)不同的硬件平臺(tái)僅需做少許修改即可應(yīng)用。隨著USB技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，USB2.0和USB OTG規(guī)范的推出以及無(wú)線(xiàn)USB的出現(xiàn)，USB儀器將成為測(cè)量?jī)x器的發(fā)展方向，并推動(dòng)傳統(tǒng)儀器向小型化和微型化方向發(fā)展。