基于AVR單片機的通用USB接口模塊設計

USB接口以其數據傳輸快、連接簡單、易于擴展、支持熱插拔等特點已成為外設與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，以便實現(xiàn)與PC等USB主機系統(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ATmega8設計一種通用的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，從而實現(xiàn)與USB主機系統(tǒng)的高速通信。

2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)模塊的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基于哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高，I／O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點，其內部集成有可進行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜制作簡單、成本低廉，還有免費的下載軟件(例如PonyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性價比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單片機與PDIUSBD12的電路連接如圖1所示。

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

由于ATmega8片內集成了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換器。其系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

3 USB固件程序設計

本系統(tǒng)模塊的USB固件程序采用符合ANSI C標準的GCC編譯器設計，結合分層次的模塊化結構，可移植性強，只需稍微修改硬件接口層即可將其移植到別的硬件平臺，可重復利用代碼。

USB固件程序設計是基于狀態(tài)機和標準的前后臺式程序架構。整個同件程序的模塊化層次結構如圖3所示。首先編寫硬件接口層hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口層，以供上層模塊調用。硬件接口層含有對PDIUSBD12寫指令和讀寫數據的函數，以供上層模塊調用。當CPU不同時，只需修改這些函數即可。由于CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，只需根據硬件連接關系，在硬件抽象層中編寫對PDIUSBD12寫指令、寫讀數據的函數，供上層調用即可。實現(xiàn)PDIUSBD12的命令接口層需調用硬件抽象層函數，供上層模塊調用。再設計前后臺程序及標準設備請求程序模塊。

先利用C語言的共用體與位域定義一個全局狀態(tài)變量如下所示：

用戶可根據需要增加相應的狀態(tài)標志位，如UART，SPI，I2C等接口收發(fā)數據完成標志來滿足各種情況下的需要，然后定義一個結構體變量用于存放USB的標準設備請求。

在前臺主程序中首先初始化全局變量和其他外圍設備，然后在while(1)的死循環(huán)中檢測狀態(tài)變量值有無變化，根據不同的狀態(tài)變量值調用下層的相應函數完成相關操作。在后臺的中斷服務程序中，根據讀取的中斷寄存器值一方面將PDIUSBD12接收到的數據移入CPU內存或將內存中的數據寫入PDIUSBD12發(fā)送端點的緩沖區(qū)；另一方面根據具體情況改變狀態(tài)變量值。

以下給出了前臺主程序的程序代碼：以下為后臺中斷服務程序：

當前臺主程序檢測到狀態(tài)變量收到SETUP包事件bEvent_flags.bits.setup_packet為1時，該標志位清零，再調用標準設備請求模塊stdreq.c的control_handler()函數完成對USB設備的枚舉。

設計標準設備請求模塊，首先利用結構體定義USB枚舉所需的各種描述符，以供不同設備請求使用，其次編寫11個標準的設備請求處理函數。本層請求模塊重要函數是協(xié)議控制子程序control han-dler()，它根據ControlData中標識的不同USB設備請求類型調用11個函數中的任意一個。除此之外，本層請示求模塊還實現(xiàn)中斷服務程序調用的控制端點接收與發(fā)送中斷處理函數。上述各函數及ControlData變量間關系如圖4所示。

4 系統(tǒng)集成與應用

4.1 PC機驅動程序與應用程序的設計

利用該系統(tǒng)模塊實現(xiàn)PC機通訊，需對PC機編寫相關驅動程序和應用程序，可利用DriverStudio軟件生成該系統(tǒng)模塊在Windows環(huán)境下的驅動程序。應用程序的設計可使用諸如VB、VC、Delphi以及應用普遍的虛擬儀器軟件開發(fā)工具LabVIEW等軟件開發(fā)工具，直接調用驅動程序生成的動態(tài)鏈接庫中的API函數，可根據具體任務編寫相關應用程序。

4.2 應用于其他系統(tǒng)

利用AVR單片機的多種外設接口特點，例如UART、SPI、I2C接口等可以有效地實現(xiàn)與其他微處理器的通信，將該模塊嵌入各種系統(tǒng)，實現(xiàn)與其他器件的通訊。固件程序中預留有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的接口，從而實現(xiàn)應用系統(tǒng)增加USB接口。

4.3 固件程序移植其他平臺

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用于各種已擁有C語言編譯器的微處理器，實現(xiàn)PDIUSBD12直接與微處理器的通訊。

移植固件程序主要工作有：根據硬件連接關系，修改硬件抽象層中的3個讀寫函數，實現(xiàn)CPU與器件之間的通信；通過調用PDIUSBD12命令接口層的讀取芯片ID函數返回值是否為0x1012，測試CPU與器件之間的通訊是否正常。

5 在數據采集器中的應用

由于ATmega8片內集成有逐次比較型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傳感器，并將輸出信號調整至0～Vcc的范圍內就可利用該模塊實現(xiàn)USB數據采集器。AVR單片機集成有ADC自帶采樣保持電路，具有內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，實現(xiàn)高精度的數據采集。而設計只需在相應的固件程序巾增加獲取ADC結果的函數，并設置相應的狀態(tài)標志位即可完成USB數據采集器的設計。

6 結束語

以ATmega8和PDIUSBD12為核心，實現(xiàn)通用的USB接口模塊設計，并應用于基于USB接口的數據采集器中。實驗結果表明，該USB接口模塊運行穩(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，具有廣泛的應用前景。