基于Linux下USB主機(jī)接口設(shè)計(jì)

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(chēng)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(kāi)發(fā)出能夠識(shí)別USB設(shè)備的主機(jī)端口。這樣使用U盤(pán)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A(yíng)T91SAM7X256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(chēng)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(xiàn)，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(méi)有集成的處理器，則需要使用USB主控器件，從總線(xiàn)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(xiě)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(xiě)：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(pán)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)的。USB,總線(xiàn)中只有一個(gè)主機(jī)，它是USB樹(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)；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(xiàn)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A(yíng)T91SAM7X256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。

  [!--empirenews.page--]  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(xiě)狀態(tài)，如圖4所示。

    訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器和控制寄存器的空間時(shí)，先設(shè)A0=0后寫(xiě)地址，接下來(lái)設(shè)A0=1，再進(jìn)行寄存器／存儲(chǔ)器讀／寫(xiě)周期。當(dāng)nWR或nCS處于無(wú)效時(shí)，SL811HS寫(xiě)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(hù)應(yīng)用程序提供一個(gè)訪(fǎng)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(xiě)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(fǎng)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(lèi)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(lèi)型及其所支持的操作。這些信息通過(guò)usb_driver結(jié)構(gòu)傳遞。

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3．2 注冊(cè)和注銷(xiāo)
    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(xiě)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(fǎng)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(xiě)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(hù)訪(fǎng)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(hù)。如果設(shè)備從USB總線(xiàn)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(xiāo)調(diào)自己。
3．4 open()，write()和read()函數(shù)
    首先，要打開(kāi)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(hù)態(tài)程序打開(kāi)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(xiě)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(méi)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(méi)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(xiě)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(xiě)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(fǎng)問(wèn)這個(gè)設(shè)備，如果是最后一個(gè)用戶(hù)在使用，可以關(guān)閉任何正在發(fā)生的寫(xiě)，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(fǎng)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(xiě)，同時(shí)通知用戶(hù)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(chēng)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。總體來(lái)講，1 Mb／s的傳輸速率還是令人滿(mǎn)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(chēng)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(chēng)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(chēng)重系統(tǒng)中引入USB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。