通用USB接口模塊設計之AVR單片機

1 引言
USB接口以其數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(qū)動能力強和片內(nèi)集成外設資源豐富等特點，其內(nèi)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(jù)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(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(jié)合分層次的模塊化結(jié)構(gòu)，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(gòu)。整個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CPU不同時，只需修改這些函數(shù)即可。由于CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，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(jù)需要增加相應的狀態(tài)標志位，如UART，SPI，I2C等接口收發(fā)數(shù)據(jù)完成標志來滿足各種情況下的需要，然后定義一個結(jié)構(gòu)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(jù)不同的狀態(tài)變量值調(diào)用下層的相應函數(shù)完成相關(guān)操作。在后臺的中斷服務程序中，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)送端點的緩沖區(qū)；另一方面根據(jù)具體情況改變狀態(tài)變量值。