Linux下USB主機接口設計

由于人們對數(shù)字形式信息的需求量越來越大，數(shù)據(jù)通信及其應用技術受到越來越廣泛的關注和應用。隨著技術的發(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設備都是需要與PC機相連進行通信，而USB設備之間的通信則無法實現(xiàn)。而對于一些處在特殊環(huán)境下的稱重設備的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)升級，PC機很不方便實現(xiàn)，因此迫切要求開發(fā)出能夠識別USB設備的主機端口。這樣使用U盤等設備就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設計在AT91SAM7X256控制器的基礎上，增加了主機端口，適用于工礦企業(yè)中稱重設備的數(shù)據(jù)更新和系統(tǒng)升級。

　　1系統(tǒng)整體方案

　　USB(UniversalSerialBus)即通用串行總線，提供一種兼容不同速度的、可擴充的，使用方便的外圍設備接口，同時也是為解決計算機接口太多等問題而設計的。在嵌入式系統(tǒng)中如果處理器集成了OHCI標準的USB主機控制器，則直接就可以引出USB主控端口：而對于沒有集成的處理器，則需要使用USB主控器件，從總線上擴展USB主機接口。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USB設備驅動程序設計時，可以分為3部分編寫：主機端設備驅動程序、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序。對于一些不具備USB主機端口的設備，為了實現(xiàn)通信的方便、快捷性，如與U盤直接通信等設備是完全有必要在原來設備的基礎上擴展USB主機端口。

　　該系統(tǒng)硬件設計是由電源、復位、時鐘電路、以太網(wǎng)口、USB主機和設備端口以及串口組成，其結構框圖如圖1所示。其中，以太網(wǎng)口用于將設備接入網(wǎng)絡實行遠程管理和監(jiān)控。將設備的數(shù)據(jù)接入Internet，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，適用于工礦企業(yè)設備的集中化管理和維護。USB主機端口通過主機控制器SL811HS／T與控制器AT9lSAM7X256相連，進行數(shù)據(jù)通信。USB設備端口作為與PC機通信的接口。該系統(tǒng)設計的創(chuàng)新在于該設備拋開了PC機，既可作為主機，也可作為外設，并與其他0TG設備直接實現(xiàn)點對點通信。

　　2硬件電路設計

　　USB主機與設備之間的通信最終都是通過USB主機控制器和USB設備的總線接口間的電纜實現(xiàn)的，任何一個輸出請求都是由主機控制器組成包的形式發(fā)往總線的。USB,總線中只有一個主機，它是USB樹形結構的根，通過一個根HUB提供一個或多個連接點，由其連接各個USB設備。

　　2．1核心器件選型

　　該系統(tǒng)設計選用Scanlogic公司的SL811HS／T作為USB主機接口器件，該器件是既能用作Host模式又能用作Slave模式的，具有標準微處理器總線接口USB控制器，適用于非PC設備在Host模式下，它支持嵌入式主機與USB外圍設備的通信，在Slave模式下，可作為主機的一個外設。SL811HS具有以下特點：是遵循USBl．1協(xié)議的嵌入式USBHost／Slave器件；提供8bit寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持，方便與微處理器、微控制器連接；通過硬件設置或軟件設置，工作在Host或Slave模式；自動探測所接設備是低速設備還是高速設備：8bit雙向數(shù)據(jù)總線；片上SI-E、USB收發(fā)器；軟件控制下運行為單個USB主或從設備主機或從設備模式有1．5Mb／s的低速，12Mb／s的全速，自動識別低速和全速設備8位雙向數(shù)據(jù)，工作于12MHz或48MHz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)設計的準確性，穩(wěn)定性和可靠性?；诒鞠到y(tǒng)對精度和實時性的要求。選用ATMEL公司的AT9lSAM7X256單片機。它具有以下特點：1)內(nèi)部集成ARM7TDMIARMThumb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)復位控制器(RSTC)，基于上電復位單元，提供外部信號整形和復位源狀態(tài)；3)時鐘發(fā)生器(CKGR)，低功耗RC振蕩器，3～20MHz片上振蕩器和1個PLL；4)電源管理控制器(PMC)，具有電源優(yōu)化功能，包括慢速時鐘模式(低于500Hz)和空閑模式，4個可編程外部時鐘信號；5)USB2．0全速(每秒12Mbit)設備接口，具有片上收發(fā)器，大小為1352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1．8V穩(wěn)壓器，為內(nèi)核及外部組件提供高達100mA的電流，3．3VVDDIO提供I／O線電源，獨立的3．3VVDDFLASH提供Flash電源，具有掉電檢測的1．8VVDDCORE提供內(nèi)核電源。

　　2．2AT91SAM7X256的USB設備端口設計

　　AT91SAM7X256的USB設備端口原理圖，如圖2所示。由于AT91SAM7X256支持USB2．0全速(每秒12Mbit)設備接口，故AT91SAM7X256的2個引腳DDM和DDP與外界USB相連，直接實現(xiàn)USB設備端口。

　　由USB接口輸入5V直流電源，二極管VD1用于限制電源的導通方向，經(jīng)過C18、C19濾波，然后經(jīng)過SPXll7M-3．3將電源穩(wěn)壓至3．3V。為了降低噪聲和出錯率，應隔離模擬電源與數(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800mA，具有電流保護和熱保護功能，可廣泛應用于數(shù)字家電和工業(yè)控制等領域。

　　2．3USB主機端口設計

　　AT91SAM7X256的USB主機端口原理圖，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，即設為低電平信號(M／S=0)，選擇作為主機端口。

　　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的讀寫狀態(tài)，如圖4所示。

　　訪問存儲器和控制寄存器的空間時，先設A0=0后寫地址，接下來設A0=1，再進行寄存器／存儲器讀／寫周期。當nWR或nCS處于無效時，SL811HS寫或讀操作終止。對于連接到SL81lHS的設備，在writenWR信號之前取消片選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，實現(xiàn)軟件低電平復位功能。SL811HS／T的引腳7、8與USB接口的DATA+，DATA-相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。S-L811HS／T的Clk／X1引腳和X2引腳與外接12MHz晶振相連。

　　3系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　USB設備驅動程序設計包括主機端設備驅動程序、主機控制器驅動程序和設備端驅動程序3部分組成。主機端設備驅動程序就是設備驅動程序，它是主機環(huán)境中為用戶應用程序提供一個訪問USB外設的接口。Linux為這部分驅動程序提供編程接口，設計者只要按照需求編寫驅動程序框架，通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的APl接口函數(shù)可以完成對USB外設的特定訪問。

3．1USB設備驅動程序框架

　　圖5所示Linux中USB驅動的體系結構。LinuxUSB主機驅動由3部分組成：USB主機控制器驅動，USB驅動和不同的USB設備類驅動。USB驅動程序首先要向Linux內(nèi)核進行注冊自己，并告之系統(tǒng)該驅動程序所支持的設備類型及其所支持的操作。這些信息通過usb_driver結構傳遞。

　　3．2注冊和注銷

　　USB驅動程序注冊，就是把在初始化函數(shù)中填好的use_driver結構作為參數(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)；當要從系統(tǒng)卸載驅動程序時，也是將use_driver結構作為參數(shù)傳遞給usb_deregister函數(shù)處理。函數(shù)的調(diào)用格式為：

當USB設備插入時，為了使linux-hotplug系統(tǒng)自動裝載驅動程序，需要創(chuàng)建一個MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下(這個模塊僅支持某一特定設備)：


3．3probe()函數(shù)

　　probe()函數(shù)的編寫格式為：staTIcvoid*skel_probe(structusb_device*dev，unsignedintifnum，conststructusb_device_id*id)；驅動程序需要確認插入的設備是否可以被接收，如果不接收，或者在初始化的過程中發(fā)生任何錯誤，probe()函數(shù)返回一個NULL值。否則返回一個含有設備驅動程序狀態(tài)的指針，通過這個指針，就可以訪問所有結構中的回調(diào)函數(shù)。

　　在驅動程序里，最后一點是要注冊devfs(設備文件系統(tǒng))。首先創(chuàng)建一個緩沖用來保存那些被發(fā)送給USB設備的數(shù)據(jù)和那些從設備上接收的數(shù)據(jù)，并為設備傳輸創(chuàng)建一個USB請求塊(URB)以向設備寫入數(shù)據(jù)，同時USBurb被初始化，然后在devfs子系統(tǒng)中注冊設備，允許devfs用戶訪問USB的設備。注冊過程如下：

　　如果devfs_register函數(shù)失敗，devfs子系統(tǒng)會將此情況報告給用戶。如果設備從USB總線拔掉，設備指針會調(diào)用disconnect函數(shù)。驅動程序就需要清除那些被分配了的所有私有數(shù)據(jù)，關閉urbs，并且從devfs上注銷調(diào)自己。

　　3．4open()，write()和read()函數(shù)

　　首先，要打開此設備。在open()函數(shù)中MODULE_INC_USE_COUNT宏是一個關鍵，它起到一個計數(shù)的作用，有一個用戶態(tài)程序打開一個設備，計數(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)是完成驅動對讀寫等操作的響應。在skelwrite中，一個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：程序并沒有用urb將數(shù)據(jù)從設備傳送到驅動程序，而是用usb_bulk_msg函數(shù)代替，這個函數(shù)能夠不需要創(chuàng)建urbs和操作urb函數(shù)的情況下，來發(fā)送數(shù)據(jù)給設備，或者從設備來接收數(shù)據(jù)。調(diào)用usb_bulk_msg函數(shù)并傳到一個存儲空間，用來緩沖和放置驅動收到的數(shù)據(jù)，若沒有收到數(shù)據(jù)表示失敗并返回一個錯誤信息。usb_bulk_msg函數(shù)，當對USB設備進行一次讀或者寫時，usb_bulk_msg函數(shù)是非常有用的；然而，當需要連續(xù)地對設備進行讀／寫時，應建立一個自己的urbs，同時將urbs提交給USB子系統(tǒng)。

　　MOD_DEC_USE_COUNT宏也會被調(diào)用到，首先確認當前是否有其他的程序正在訪問這個設備，如果是最后一個用戶在使用，可以關閉任何正在發(fā)生的寫，操作如下：
　

　　USB設備可以在任何時間點從系統(tǒng)中取走，即使程序目前正在訪問它。USB驅動程序必須要能夠很好地處理解決此問題，它需要能夠切斷任何當前的讀寫，同時通知用戶空間程序：USB設備已經(jīng)被取走。

　　4實驗結果

　　經(jīng)過大量的試驗，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BusHound軟件進行相應的邏輯功能分析，USB主機與設備之間可以正常通信。因為整個電路主要應用于稱重系統(tǒng)，所以著重測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)傳輸速率可以達到1Mb／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致的?？傮w來講，1Mb／s的傳輸速率還是令人滿意的。

　　5結束語

　　本系統(tǒng)以AT91SAM7X256單片機為核心進行設計，采用SL811HS／T主控器件，實現(xiàn)了USB主機端口的擴展，使稱重設備中同時具有USB設備端和主機端口，因此，該系統(tǒng)設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的點對點通信，實現(xiàn)稱重設備數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)升級的可靠、快捷，適合工礦企業(yè)特殊環(huán)境下設備數(shù)據(jù)的更新，便于對設備的管理和維護。并在稱重系統(tǒng)中引入USB主機端口具有非常實用的特點。因此，該系統(tǒng)設計具有很好的應用前景。