基于嵌入式USB的以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著USB技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)USB的期望也越來越高。雖然USB技術(shù)在臺(tái)式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的地位已經(jīng)固如磐石，但是由于其以主機(jī)為中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)來發(fā)起和控制，所有的 USB設(shè)備都只能與主機(jī)建立連接。不僅如此，軟件復(fù)雜性以及較高的功率要求，使得人們對(duì)嵌入式設(shè)備中使用USB的興趣與日俱增^［1］。嵌入式USB結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)可以將USB設(shè)備轉(zhuǎn)換到TCP/IP,讓USB 設(shè)備不再受距離限制，可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地訪問USB設(shè)備，可以讓一個(gè)USB設(shè)備供多個(gè)用戶使用，從而提高USB設(shè)備的利用率。通過使USB設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)使用USB存儲(chǔ)、USB視頻和USB打印等。本文提出了一種利用ARM7來實(shí)現(xiàn)嵌入式USB的方法，并結(jié)合以太網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，使得通過網(wǎng)絡(luò)可以方便地訪問USB設(shè)備。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用LPC2148控制嵌入式SL811HS和ENC28J60，實(shí)現(xiàn)了USB設(shè)備與以太網(wǎng)的連接，便于USB設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。SL811HS主要實(shí)現(xiàn)USB HOST的功能，它能夠識(shí)別USB設(shè)備，并能夠?qū)υ撛O(shè)備進(jìn)行讀寫操作。ENC28J60主要完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)USB設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)^［2-3］
    LPC2148是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有512KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可以使用16位Thumb模式將代碼降低超過30%，而犧牲的性能卻很小。LPC2148具有較小的64腳封裝，最多可以使用46個(gè)GPIO。其極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、多路10位ADC、1路DAC以及豐富的接口使其特別適合于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制嵌入式MODEM等各種類型的應(yīng)用。選用LPC2148的原因是它片內(nèi)集成了Flash、RAM、SPI接口，使得外圍電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。
    ENC28J60是美國(guó)微芯科技公司于2005年推出的全球首枚28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，可為嵌入式應(yīng)用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠(yuǎn)程通信解決方案。此外，ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需很少的連線即可與主控芯片機(jī)連接，使如圖2所示。其中的CS和RESET接到主控芯片是為了使軟件設(shè)計(jì)更靈活。

     SL811HS是Cypress公司設(shè)計(jì)的嵌入式USB主機(jī)設(shè)備控制器，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，能通過軟件控制選擇主從方式，支持低速和全速傳輸并自動(dòng)檢測(cè)低速或全速設(shè)備，通過A0區(qū)分地址和數(shù)據(jù)，并支持地址自增模式。SL811HS與主控芯片的接口電路如圖3所示。

[!--empirenews.page--]3 軟件設(shè)計(jì)
　 系統(tǒng)軟件主要由嵌入式TCP/IP程序和嵌入式USB兩個(gè)部分組成。系統(tǒng)程序通過收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的類型來進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成特定的功能。例如通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程登陸的方式瀏覽和修改本地?cái)?shù)據(jù)，達(dá)到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享的目的。
3.1 嵌入式TCP/IP實(shí)現(xiàn)
　 嵌入式TCP/IP實(shí)現(xiàn)包括以太網(wǎng)控制器ENC28J60底層驅(qū)動(dòng)、TCP/IP協(xié)議。ENC28J60 可與許多主控制器上的SPI接口直接相連。此器件只支持SPI 的0,0模式。另外，SPI 端口要求SCK 在空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，不支持時(shí)鐘極性選擇。在SCK 的每個(gè)上升沿移入數(shù)據(jù)，命令和數(shù)據(jù)通過SI 引腳送入器件。 ENC28J60在SCK的下降沿從SO引腳輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行操作時(shí)CS 引腳必須保持低電平，當(dāng)操作完成時(shí)返回高電平［4］。
3.1.1ENC28J60底層驅(qū)動(dòng)
　 在使用ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前，必須對(duì)器件進(jìn)行初始化設(shè)置。根據(jù)應(yīng)用的不同，一些配置選項(xiàng)可能需要更改。通常初始化任務(wù)會(huì)在復(fù)位之后立即完成，并且不再需要更改。初始化任務(wù)主要包括：（1）初始化接收緩沖器：在接收數(shù)據(jù)包前，必須編程ERXST和ERXND指針來對(duì)接收緩沖器進(jìn)行初始化。ERXST與ERXND之間的存儲(chǔ)空間專供接收硬件使用。（2）初始化發(fā)送緩沖器：所有未被用作接收緩沖器的存儲(chǔ)空間都將作為發(fā)送緩沖器，故不需要專門對(duì)發(fā)送緩沖器進(jìn)行專門的初始化。（3）等待OST：如果在上電復(fù)位后立即進(jìn)行初始化，應(yīng)查詢ESTAT.CLKRDY位，確保在開始修改MAC和PHY寄存器前已經(jīng)經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間。（4）PHY初始化：PHY寄存器不能通過SPI控制接口直接訪問，而是通過一組帶有MIIM的特殊MAC控制寄存器來完成的。程序中在配置LED時(shí)用到了PHY寫函數(shù)。寫PHY寄存器時(shí)，先將PHY寄存器的地址寫入MIREGADR，然后將要寫入高低8位的內(nèi)容分別寫入MIWRH、MIWRL即可。
　 發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，ENC28J60會(huì)自動(dòng)生成前導(dǎo)符和幀起始定界符。此外MAC還可以根據(jù)配置自動(dòng)生成填充和CRC字段。主控制器要生成所有其他幀字段，并將他們寫入緩沖器，以待發(fā)送。此外，ENC28J60還要求在待發(fā)送的數(shù)據(jù)包前添加一個(gè)包的控制字節(jié)。接收數(shù)據(jù)包時(shí)可以使用中斷的方式，也可以使用查詢的方式。由于本設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高，故采用查詢的方式。如果有數(shù)據(jù)包到達(dá)，ENC28J60將置位EIR寄存器的PTKIF位。程序運(yùn)行時(shí)不斷地查詢?cè)撐灰耘袛嘤袩o數(shù)據(jù)包到達(dá)。
3.1.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包處理
　 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常是在不同的協(xié)議層上進(jìn)行開發(fā)，每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能。TCP/IP 協(xié)議是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合。當(dāng)系統(tǒng)收到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議中由數(shù)據(jù)鏈路層逐層剝離其中各層協(xié)議所加的首部。主程序按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀分用的思路進(jìn)行編制，程序框架如圖4所示。

                                                            圖4

3.2  嵌入式USB實(shí)現(xiàn)［5-6］
　 嵌入式USB軟件主要分成4個(gè)部分：SL811HS初始化、USB設(shè)備的識(shí)別及配置、海量存儲(chǔ)協(xié)議和FAT文件系統(tǒng)。SL811HS共有16個(gè)配置寄存器，其中00-04H、08H-0CH是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，05H是控制寄存器1，06H是中斷使能寄存器，07H的各位均為保留位，0DH為狀態(tài)寄存器，0EH為SOF計(jì)數(shù)寄存器，0FH為SOF計(jì)數(shù)寄存器的高位和控制寄存器2。在SL811HS上電開始工作之后，首先將寄存器05H的第3位置1，延時(shí)30 ms后清零，便可以對(duì)USB總線復(fù)位；然后在06H寄存器中寫入61H，使能設(shè)備檢測(cè)中斷。
　 當(dāng)有設(shè)備插入時(shí)，會(huì)使SL811HS的D+管腳置高，SL811HS的寄存器0DH的第7位置1并產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別到有USB設(shè)備插入，即可對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置了。通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)ClearFeaure（）、GetConfiguration（）、GetDescriptor（）、SetAddress（）等函數(shù)完成對(duì)設(shè)備的配置。
　 本系統(tǒng)可以檢測(cè)U盤的狀態(tài)(如接入、拔出)，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)U盤的訪問，包括創(chuàng)建文件、目錄和讀寫文件等，實(shí)現(xiàn)了USB設(shè)備網(wǎng)絡(luò)共享的目的。 但是由于不同USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)通常也不同，USB作為嵌入式應(yīng)用時(shí)不可能像PC機(jī)操作系統(tǒng)把所有的驅(qū)動(dòng)都裝上。但是隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可以采用網(wǎng)絡(luò)更新驅(qū)動(dòng)的方式，只要某種USB設(shè)備接上就可以通過更新系統(tǒng)的固件，達(dá)到識(shí)別該設(shè)備和使用該設(shè)備的目的。這也是本系統(tǒng)目前這也是本系統(tǒng)目前需要完善的地方。