基于AVR單片機(jī)的通用USB接口模塊設(shè)計(jì)

USB接口以其數(shù)據(jù)傳輸快、連接簡單、易于擴(kuò)展、支持熱插拔等特點(diǎn)已成為外設(shè)與PC通信的主要方式之一。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式微處理器需增加通用的USB接口，以便實(shí)現(xiàn)與PC等USB主機(jī)系統(tǒng)的通信。針對這樣的需求，這里采用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列單片機(jī)ATmega8設(shè)計(jì)一種通用的USB接口模塊。該模塊可方便為各種嵌入式微處理器增加USB接口，從而實(shí)現(xiàn)與USB主機(jī)系統(tǒng)的高速通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)模塊的控制核心是AVR高速單片機(jī)ATmega8。AVR單片機(jī)是新一代基于哈佛結(jié)構(gòu)的高速RISC微控制器，具有速度快、價(jià)格低、可靠性高，I／O口線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)，其內(nèi)部集成有可進(jìn)行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機(jī)的ISP下載電纜制作簡單、成本低廉，還有免費(fèi)的下載軟件(例如PonyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性價(jià)比USB接口器件，完全符合USB1.l規(guī)范，易于與各種微處理器接口。

系統(tǒng)模塊AVR單片機(jī)與PDIUSBD12的電路連接如圖1所示。

由圖1看出，由于AVR單片機(jī)具有高速性，可利用I／O端口線以軟件方式模擬PDIUSBD12的時(shí)序，對其讀寫。這種方式可根據(jù)不同的微處理器速度靈活控制PDIUSBD12的時(shí)序和地址，無需譯碼電路，從而簡化硬件設(shè)計(jì)，降低成本。

由于ATmega8片內(nèi)集成了UART，SPI，I2C等接口，該接口模塊可利用這些接口與其他系統(tǒng)通信，使得該接口模塊成為通用的接口轉(zhuǎn)換器。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 USB固件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)模塊的USB固件程序采用符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的GCC編譯器設(shè)計(jì)，結(jié)合分層次的模塊化結(jié)構(gòu)，可移植性強(qiáng)，只需稍微修改硬件接口層即可將其移植到別的硬件平臺(tái)，可重復(fù)利用代碼。

USB固件程序設(shè)計(jì)是基于狀態(tài)機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的前后臺(tái)式程序架構(gòu)。整個(gè)同件程序的模塊化層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先編寫硬件接口層hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口層，以供上層模塊調(diào)用。硬件接口層含有對PDIUSBD12寫指令和讀寫數(shù)據(jù)的函數(shù)，以供上層模塊調(diào)用。當(dāng)CPU不同時(shí)，只需修改這些函數(shù)即可。由于CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲(chǔ)器一樣，只需根據(jù)硬件連接關(guān)系，在硬件抽象層中編寫對PDIUSBD12寫指令、寫讀數(shù)據(jù)的函數(shù)，供上層調(diào)用即可。實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12的命令接口層需調(diào)用硬件抽象層函數(shù)，供上層模塊調(diào)用。再設(shè)計(jì)前后臺(tái)程序及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求程序模塊。

先利用C語言的共用體與位域定義一個(gè)全局狀態(tài)變量如下所示：

用戶可根據(jù)需要增加相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位，如UART，SPI，I2C等接口收發(fā)數(shù)據(jù)完成標(biāo)志來滿足各種情況下的需要，然后定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量用于存放USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求。

在前臺(tái)主程序中首先初始化全局變量和其他外圍設(shè)備，然后在while(1)的死循環(huán)中檢測狀態(tài)變量值有無變化，根據(jù)不同的狀態(tài)變量值調(diào)用下層的相應(yīng)函數(shù)完成相關(guān)操作。在后臺(tái)的中斷服務(wù)程序中，根據(jù)讀取的中斷寄存器值一方面將PDIUSBD12接收到的數(shù)據(jù)移入CPU內(nèi)存或?qū)?nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入PDIUSBD12發(fā)送端點(diǎn)的緩沖區(qū)；另一方面根據(jù)具體情況改變狀態(tài)變量值。

以下給出了前臺(tái)主程序的程序代碼：以下為后臺(tái)中斷服務(wù)程序：

當(dāng)前臺(tái)主程序檢測到狀態(tài)變量收到SETUP包事件bEvent_flags.bits.setup_packet為1時(shí)，該標(biāo)志位清零，再調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求模塊stdreq.c的control_handler()函數(shù)完成對USB設(shè)備的枚舉。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求模塊，首先利用結(jié)構(gòu)體定義USB枚舉所需的各種描述符，以供不同設(shè)備請求使用，其次編寫11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請求處理函數(shù)。本層請求模塊重要函數(shù)是協(xié)議控制子程序control han-dler()，它根據(jù)ControlData中標(biāo)識(shí)的不同USB設(shè)備請求類型調(diào)用11個(gè)函數(shù)中的任意一個(gè)。除此之外，本層請示求模塊還實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序調(diào)用的控制端點(diǎn)接收與發(fā)送中斷處理函數(shù)。上述各函數(shù)及ControlData變量間關(guān)系如圖4所示。

4 系統(tǒng)集成與應(yīng)用

4.1 PC機(jī)驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

利用該系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通訊，需對PC機(jī)編寫相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，可利用DriverStudio軟件生成該系統(tǒng)模塊在Windows環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)可使用諸如VB、VC、Delphi以及應(yīng)用普遍的虛擬儀器軟件開發(fā)工具LabVIEW等軟件開發(fā)工具，直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫中的API函數(shù)，可根據(jù)具體任務(wù)編寫相關(guān)應(yīng)用程序。

4.2 應(yīng)用于其他系統(tǒng)

利用AVR單片機(jī)的多種外設(shè)接口特點(diǎn)，例如UART、SPI、I2C接口等可以有效地實(shí)現(xiàn)與其他微處理器的通信，將該模塊嵌入各種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與其他器件的通訊。固件程序中預(yù)留有UART、SPI、I2C等接口程序，只需通過簡單的跳線連接就可選擇相應(yīng)的接口，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)增加USB接口。

4.3 固件程序移植其他平臺(tái)

由于固件程序最大限度考慮到可移植性，所以將固件程序稍加修改即可應(yīng)用于各種已擁有C語言編譯器的微處理器，實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12直接與微處理器的通訊。

移植固件程序主要工作有：根據(jù)硬件連接關(guān)系，修改硬件抽象層中的3個(gè)讀寫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)CPU與器件之間的通信；通過調(diào)用PDIUSBD12命令接口層的讀取芯片ID函數(shù)返回值是否為0x1012，測試CPU與器件之間的通訊是否正常。

5 在數(shù)據(jù)采集器中的應(yīng)用

由于ATmega8片內(nèi)集成有逐次比較型ADC，具有6路的模擬輸入通道，所以只需要針對采集的物理量選用相應(yīng)傳感器，并將輸出信號調(diào)整至0～Vcc的范圍內(nèi)就可利用該模塊實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)采集器。AVR單片機(jī)集成有ADC自帶采樣保持電路，具有內(nèi)部參考電壓和基于睡眠模式的噪聲抑制器，從而大大提高ADC精度，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。而設(shè)計(jì)只需在相應(yīng)的固件程序巾增加獲取ADC結(jié)果的函數(shù)，并設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位即可完成USB數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語

以ATmega8和PDIUSBD12為核心，實(shí)現(xiàn)通用的USB接口模塊設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于基于USB接口的數(shù)據(jù)采集器中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該USB接口模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通信速度快，易于修改移植，滿足嵌人式系統(tǒng)對USB接口的需求，并能快速為各種微處理器增加USB接口，具有廣泛的應(yīng)用前景。