基于DSP平臺的USB接口設計

作者：湯金寬 吳裕冰 曹丹華
USB接口（Universal Serial Bus）是一種通用的高速串行接口。它最主要的特點是它的高速傳輸特性。USB1.1理論速度極限可以達到12Mb/s，USB2.0可達到 480Mb/s。這樣，它可以很好解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)在嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的互傳問題；同時，它支持熱插拔，并且最多同時支持127個外設，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應用。

本次設計是在一個已有的DSP圖像采集嵌入式系統(tǒng)的基礎上，為它配接上一個USB1.1的接口，以達到DSP圖像采集系統(tǒng)高速地將圖像數(shù)據(jù)回傳到PC機中的目的。設計的要求主要有：

①在原有平臺提供的接口基礎上，加入一個低成本、高速度的USB接口；

②通過USB接口，實現(xiàn)PC機對DSP圖像采集系統(tǒng)的操作與控制；

③實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在DSP攝像系統(tǒng)與PC機之間高速的雙向傳輸。

基于以上幾點可以看出，本方案最主要的特點是成本低廉且傳輸速度高。

1 硬件方案選擇與設計

1.1 方案選擇

對于基于DSP平臺的USB接口設計，經(jīng)過綜合考慮了幾種方案之后決定，采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBD12（成 本非常低，一片PDIUSBD12的價格僅為20元），再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路。

這種芯片僅僅完成USB底層的數(shù)據(jù)鏈路級交換，并提供給本地微控制器一個并行的接口，但是它并不完成協(xié)議層的工作。協(xié)議層的工作需要對微控制器 編程，控制USB接口芯片來實現(xiàn)USB協(xié)議。所以，開發(fā)難度相對來說大一些，要做的編程工作也多一點。但是這套方案的成本非常低，而且由于直接用DSP作 為微控制器，沒有原單片機的瓶頸限制，所以可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 該系統(tǒng)的原理框圖

由于PDIUSBD12的并行接口時序較慢，只能達到2MB/s。這個速度相對于DSP來說比較低，而且有些地方不是簡單地在程序中加入延時就 可以調(diào)整，所以需要一個時序調(diào)整電路來完成它們之間的配合。

1.2 PDIUSBD12芯片

PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一種USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作電壓下；具有8位數(shù)據(jù)總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接（SoftConnect）功能，可以保證在微控制器可靠完成初始化之后再連接上USB總 線。另外，它還有一個LED驅(qū)動腳，可以外接LED來監(jiān)測USB的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。當USB接口枚舉完成，并且成功配置以后，LED將會一直點亮；而在枚舉過程以及USB數(shù)據(jù)通信過程中，LED只是有節(jié)奏地閃爍。

PDIUSBD12只占用微控制器的兩個地址資源。也就是說，它只有一根地址線。其中一個地址用來向芯片中寫命令，另外一個地址用來向燕片中寫 數(shù)據(jù)或者從芯片中讀取數(shù)據(jù)。

PDIUSBD12一共有三組端點：端點0完成控制傳輸；端點1可以配置成中斷傳輸；端點2是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點。它有64B的緩沖區(qū)，如果加上它的雙緩沖機制，就有128B的緩沖區(qū)；它可以配置成批量傳輸模式，或者同步傳輸模式。

總的來說，PDIUSBD12是一款性能優(yōu)異，價格相對軟低的USB接口芯片。

1.3 時序芯片

為了降低成本、簡化電路，本方案不使用DMA傳輸方式，而以TI公司的TMS320C2XX作為微控 制器（使用20MHz晶振）。它的并口速度非常高，遠遠高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此處是硬件設計最關鍵的地方。

經(jīng)過詳細的時序分析發(fā)現(xiàn)，大部分問題可以通過在DSP固件設計的加入延時，或者設置DSP的WSGR寄存器來解決。但是有一個問題，必須在硬件 上加以解決。圖2是DSP（TMS320C2XX）的寫時序。

圖2 DSP（TMS320C2XX）的寫時序

圖2中，參數(shù)th(W-D)是指在WE信號變高（無效）以后，所寫的數(shù)據(jù)將仍然保持有效的時間。這個值最小為3ns，最大為14ns，所以所寫的數(shù)據(jù)在 WE信號無效以后還會維持有效，大約3～14ns（實際的延時介于這兩個值之間）。

圖3是PDIUSBD12所要求的寫時序。圖中，參量tWDH是與DSP （TMS320C2XX）參量th(W-D)相對應的另外一個參量。這個參量反映了PDIUSBD12要求微控制器在向其中寫數(shù)據(jù)時，所寫的數(shù)據(jù)在WR信號無效之后，要繼續(xù)保持有效的時間。這個參量最小值為10ns。也就是說，PDIUSBD12要求所寫的數(shù)據(jù)最少要保持有效10ns（在WR無效之后）。

圖3 PDIUSBD12所要求的寫時序

由此可以看出，DSP（TMS320C2XX）的寫時序不能可靠地保證滿足 PDIUSBD12的要求，而且這個問題無法通過軟件加延時的方法來解決，必須通過硬件來處理。經(jīng)過分析對比，最后決定采用一個很簡單但是后來事實證明非 常有效的方法來調(diào)整它們之間的時序。那就是在DSP（TMS320C2XX）與PDIUSBD12的總線之間加一個雙向緩沖器-74LS245。這個芯片 可以在它們的時序之間引入一個延時。雖然這個延時并不可靠、但是由于DSP（TMS320C2XX）本身會在WR無效后，繼續(xù)保持數(shù)據(jù)有效一段時間（前面 已講過），這要僅僅需要將延時適當延長一點就可以了。74LS245所造成的延時典型值為15ns，最小也為8ns。這樣，加上原來DSP寫時序的延時， 就可以滿足PDIUSBD12所要求的寫時序了。

另外由于加入74LS245所造成的對其它接口時序的影響，可以通過設置DSP（TMS320C2XX）的WSGR寄存器來消除，所以這個方案 是可行的。（事實上，后來制造好的電路也證明了這個方案是完全可行的）

對其余時序上的配合，經(jīng)過仔細的計算與核對證明，也是完全可行的。在硬件上，哂方案還采用了一片GAL（16V8）來實現(xiàn)對PDIUSBD12 芯片的片選，以及實現(xiàn)對它的軟件和手動復位。

2 軟件設計

2.1 固件設計

由于采用的是不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片，所以關于USB1.1協(xié)議規(guī)范的實現(xiàn)都必須靠DSP（TMS320C2XX）控制 PDIUSBD12芯片來完成。固件的主要設計任務是：在DSP（TMS320C2XX）的平臺上編寫程序，以完成 USB1.1規(guī)范所要求的標準請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求。
為了不影響程序的執(zhí)行效率，本方案采用中斷方式完成固件的編寫；同時，為了保證程序的模塊化及良好的可移植性，在設計中采用分層結(jié)構(gòu)進行固件的 編寫，如圖4所示。

圖4 中斷方式完成固件的編寫

最下層是硬件接口層，完成硬件上PDIUSBD12與DSP（TMS320C2XX）的對接。主要是DSP（TMS320C2XX）向PDIUSBD12 中寫入數(shù)據(jù)或者命令，以及從中讀取數(shù)據(jù)。

中間層主要有兩個模塊，用來完成PDIUSBD12的命令接口和中斷處理子程序。命令接口是指按照PDIUSBD12的命令格式，完成DSP對它的控制。它的基本命令格式是：DSP先向其中的命令地址寫入某一條命令，接著從它的數(shù)據(jù)地址寫入或者讀出一系列的數(shù)據(jù)。中斷處理子程序是判斷中斷的產(chǎn)生 源，然后跳轉(zhuǎn)到相應的處理子程序。這些子程序不做過多的處理，而僅僅是將命令數(shù)據(jù)讀出然后置標志位，或者是將某些數(shù)據(jù)送出。

最上層是主循環(huán)程序，以及對于USB1.1標準協(xié)議請求（這些請求主要是在USB1.1協(xié)議規(guī)范的第九章中定義的）和用戶自定義請求的處理程 序。主循環(huán)的主要工作是檢查標志位。如果標志位被置位，則調(diào)用處理子程序，判斷是標準請求還是用戶自定義請求，然后調(diào)用相應的處理程序加以處理，完成請求。

這樣分層的好處是：主循環(huán)程序在檢查標志位以外的時間可以進行其它工作，提高固件的運行效率。

編程過程中，由于涉及了一些嚴格的接口時序配合問題，所以，整個固件的編寫工作全部采用DSP（TMS320C2XX）的匯編語言；用的是 CC2000編程開發(fā)工具。

2.2 PC機軟件的設計

PC機的驅(qū)動程序由Philips公司提供。然后，用VC++6.0，通過調(diào)用API函數(shù)，編寫PC的應用程序。這樣即可實現(xiàn)PC機對 DSP(TMS320C2XX）攝像系統(tǒng)的攝像控制以及圖像的傳輸。

主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl（）、ReadFile（）、 WriteFile（）。其中DeviceIOControl（）用于PC（主機）向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求；ReadFile（）和 WriteFile（）分別用于從圖像采集系統(tǒng)中讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)中寫入數(shù)據(jù)。

在設計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主-從方式的接口，它的一切傳輸過程都必須通過主機向外設發(fā)送請求后才可以開始，所以在使用 ReadFile（）、WriteFile（）讀寫數(shù)據(jù)之前，必須先通過 DeviceIOControl（）向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求。

3 結(jié)果及分析

設計方案完成后，在最后的測試當中，通過USB1.1接口，PC機與DSP系統(tǒng)的通信速率最高達到了580KB/s（4.6Mb/s）以上。這個速率指的是有效數(shù)據(jù)傳輸速率，不包括數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)絡的頭信息部分，所以這個速率還是比較令人滿意的?，F(xiàn)在，傳輸一張幅面為352×288像素的黑白圖片（大小為 99KB），耗時不到1s。如果實現(xiàn)動態(tài)的拍攝及顯示，那么，整個系統(tǒng)每秒可以拍攝并完成顯示3～4幅不經(jīng)壓縮的幅畫為352×288像素大小的黑白圖片。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行可靠（已將程序燒寫進片內(nèi)Flash中），各項性能指標都已達到了最初的設計要求，能夠很好地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在PC機與 DSP之間高速的雙向傳輸。并且，這套USB接口方案只采用了1片PDIUSBD12接口芯片和1片 74LS245，器件成本只有20元左右，這個成本是比較低的。同時，由于采用了DSP作為控制器，所以它的通信速率可以很高；因此，可以說本方案達到了低成本，高速率的USB1.1接口設計要求。