基于DSP和專用接口芯片的USB實現(xiàn)方案

引言

　　各種測量儀器檢測到的數(shù)據(jù)常常需要傳送到PC機進行數(shù)據(jù)處理與存檔，以充分利用PC機豐富的硬件和軟件資源，獲得更為完善和強大的數(shù)據(jù)處理、分析和存儲能力。傳統(tǒng)PC平臺的數(shù)據(jù)采集卡受PC機插槽數(shù)目、地址、中斷等硬件和軟件資源的限制，可擴展性較差，安裝拆卸困難，成本高。

　　自1994年11月提出通用串行總線（USB）以來，USB以其傳輸速率高、支持熱插拔、易于擴展的突出優(yōu)勢，發(fā)展速度驚人，迅速席卷電子產(chǎn)品世界。在市場需求的強力驅(qū)動下，從1998年開始，USB接口進入測量儀器領域，并逐步被許多著名儀器公司接納。在測量儀器中擴展USB接口已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。針對不同的測量儀器，尋求一種普遍適用的USB接口解決方案，對于測量儀器的開發(fā)設計有十分重要的意義。

方案選擇

　　開發(fā)USB設備一般有三種方式：一種是使用帶USB接口的專用微控制器（MCU），這類MCU有自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令，從底層專用于USB控制，比如Cypress公司的CY7C63xxx和CY7C64013，這類MCU的開發(fā)需要用專用工具，且性能有限；第二種方式是使用帶USB接口的通用MCU，這類MCU只是基于一般芯片內(nèi)核增加了USB接口，比如Intel公司的8x931、8x930以及Cypress公司的EZUSB等，這類MCU的開發(fā)語言和開發(fā)工具都和一般MCU相似，因而較易入手，但其缺點是成本較高；第三種方式是使用純粹的USB接口芯片，通過外加MCU對其控制。如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581以及National公司的USBN9602、南京沁恒公司的CH372、CH375等。這類USB接口芯片價格較低、接口方便、靈活性高，針對不同的硬件環(huán)境可以配合多種MCU使用，如單片機、DSP、FPGA都可以。綜合各方面因素考慮，本設計選用第三種方式，即采用專用USB接口芯片為測量儀器擴展USB接口。

硬件設計

　　USB控制器
　　USB控制器通過控制USB接口芯片實現(xiàn)協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。在本設計中選用DSP芯片TMS320VC33作為微控制器，這主要是基于兩方面的考慮：一是其運算速度較快，指令周期僅為13nS，可以最大限度地發(fā)揮USB接口芯片的潛力；二是該DSP芯片性價比高，且具有浮點運算功能，擴展浮點精度可達40位。

　　USB接口芯片
　　USB接口芯片用以完成USB通信底層的數(shù)據(jù)鏈路級交換，并對本地微控制器提供一個并行接口。
本文選用PHILIPS公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。該芯片可與任何微控制器實現(xiàn)高速并行接口(2Mb/s)，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風險和成本，是開發(fā)高效低成本的USB外圍設備的一種快捷途徑。

　　PDIUSBD12一共有三組端點：端點0完成控制傳輸；端點1可以配置成中斷傳輸；端點2有128B的緩沖區(qū)，是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點。

　　接口電路
　　DSP與PDIUSBD12的連接如圖1所示。采用單獨地址/數(shù)據(jù)總線配置，即用DSP的某地址線控制PDIUSBD12的A0引腳，實現(xiàn)命令數(shù)據(jù)的選擇。A0=1表示傳送命令，A0=0表示傳送數(shù)據(jù)。片選（CS ）及掛起(SUSPEND)信號分別由DSP的I/O口控制。讀寫選通信號WR 、RD 可以用DSP的R/W引腳及其取反后控制。但這樣需要在電路中增加反相器，為了節(jié)約器件從而縮小電路體積，可以另外選擇一個I/O口控制PDIUSBD12的讀選通RD。本設計中選用PAGE1，通過對不同地址的訪問來區(qū)分對PDIUSBD12的讀寫操作。這樣PDIUSBD12只占用微控制器的三個地址資源，其一用來向PDIUSBD12寫命令，其二用來向PDIUSBD12寫數(shù)據(jù)，另外一個用來從PDIUSBD12讀數(shù)據(jù)。對DSP而言，PDIUSBD12就相當于一個有8位數(shù)據(jù)總線和3個地址的存儲器件。

　　設備采用自供電方式，需要將EOT 通過一個10k?的電阻接至USB電纜的VCC（+5V）端，并加1M?下拉電阻，借此檢測USB設備是否已經(jīng)連接到USB口。

軟件設計

　　USB軟件設計包括固件（firmware）程序、PC端的驅(qū)動程序和應用程序。其中固件程序要求編寫者對復雜的USB通信協(xié)議有深刻的理解，編程難度較高，在本論文中將詳細介紹。

　　固件編程
　　固件程序是寫入MCU內(nèi)的程序，使MCU可以完全按照USB協(xié)議，識別接收到的信息包類型，對包的內(nèi)容、意義進行分析，并按照要求完成相應的動作。通過這些不同類型包的傳遞，完成MCU與接口芯片的命令及數(shù)據(jù)交換，進而實現(xiàn)主機與設備間的通信。

　　固件程序設計成中斷驅(qū)動模式，采用模塊化設計，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 　　主循環(huán)
　　主循環(huán)中主要完成DSP的寄存器及端口初始化，向PDIUSBD12發(fā)送設置模式命令，接通SoftConnect。判斷是否接收到建立包(setup package)，若收到則調(diào)用標準請求處理程序進行處理，若收到主機請求信號，則調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送程序發(fā)送數(shù)據(jù)。