基于TUSB6020的USB OTG接口设计

USB开发者论坛发布了USB2.0补充规范USB OTG（On-The-GO），解决了两个关键的问题：一是双角色的USB外设,二是供电问题，从而实现了便携设备间无主机的数据传输 [1-2]。目前，TI公司推出的高速USB2.0 OTG双功能控制器TUSB6020，是一种小型解决方案，既能作为针对USB外设的功能控制器使用，又能作为点对点或点对多点通信中的主机/外设工作。本文在此基础上研究TMS320DM6437与TUSB6020的USB OTG的接口设计方案。 1 TUSB6020的特性、内部结构及其工作原理
1.1 TUSB6020特性和内部结构 TUSB6020采用最小5×5mm封装，符合USBG2.0 OTG规范，具有以下关键特性:
 SRP和主机流通协议HNP。
 提供多种工作速率，包括 1.5Mbps低速率、12Mbps全速率和 480Mbps高速率。
 VBUS短路的保护电路。
 片上集成可切换的上拉和下拉电阻。
 片上锁相环可降低高速时钟噪声。
 电源耗电量小于100mW。

500)this.style.width=500;" border="0" />

图1为TUSB6020的内部结构。TUSB6020主要模块有USB 2.0 PHY模块、电源/复位/时钟控制模块（PRCM）、USB2.0 OTG控制模块及VLYNQ外部主机接口模块等。功能参见文献[3]。
1.2 TUSB6020工作原理
TUSB6020工作状态分为复位状态、空闲状态和正常工作状态。在空闲状态下，USB2.0 PHY挂起；正常工作状态下，使能USB2.0 PHY，从而使能VBUS检测电路和ID检测电路。不妨设TUSB6020为OTG主机设备（A设备），对方USB设备作为OTG从机设备（B设备），分析对话请求协议SRP和主机通信协议HNP的工作过程。
B设备向A设备发起SRP会话的条件是：(1)VBUS跌落到会话有效阀值0.8V以下；(2)DM/DP维持低电平SEO状态至少2ms。之后，B设备开始发起SRP请求，如图2所示。 
 500)this.style.width=500;" border="0" /> 

 
 
工作步骤如下：（1）B设备将上拉电阻接入 DM/DP并持续5-10ms；（2）B设备驱动 VBUS足够长的一段时间直到 VBUS大于会话有效阀值0.8V；（3）A设备检测到 DM/DP或 VBUS升高，开启 VBUS电源给 B设备供电；（4）A设备复位总线对 B设备进行枚举配置，开始传输任务。
HNP协议用来控制A、B两设备主从角色的转换。A设备查询B设备的OTG性能描述符，以判断B设备是否为OTG设备，若B设备为OTG设备，返回有效的性能描述符，A设备向B设备发送Set feature命令，然后挂起总线，等待B设备的HNP请求。如图3所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

工作流程可以归纳为：（1）A设备挂起总线，DM/DP为高电平；（2）B设备收到Set feature命令，在总线挂起后断开它的DM/DP上拉电阻，将总线释放到SEO状态；（3）A设备检测到SEO状态后响应，连接它的DM/DP上拉电阻；（4）B设备在检测到DM/DP变高后，开始以主机方式工作，B设备复位总线，开始使用总线；（5）B设备使用完总线后，停止总线活动挂起总线，DM/DP再次变为高电平；（6）A设备检测到总线空闲后，断开DM/DP上拉电阻；（7）B设备检测DM/DP变低后，连接DM/DP上拉电阻；（8）A设备等待DM/DP变高后，表明B设备已准备回到从机状态，A设备从新成为主机复位总线，开始使用总线。2 “达芬奇”处理器 TMS320DM6437与 TUSB6020的接口设计
TMS320DM6437是达芬奇技术中首批仅基于DSP的产品，集成有600MHz时钟的C64x+增强型DSP核心、视频处理子系统(VPS)以及丰富的外围接口，支持通用USB2.0和VLYNQ高速传输总线，以低于以往的价位提供了更高的处理性能。
2.1 硬件设计 TUSB6020与 TMS320DM6437硬件连接的电路图如图 4所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

TUSB6020的DM/DP、ID和VBUS引脚与USBmicroAB连接器相连，建立与对方 USB设备的物理连接，其中 VBUS 5V电压由 VBUS电源开关提供，CPEN连接至它 EN引脚用以提供电源开关使能信号。双电源调节器向 TUSB6020提供 3.3V和 1.5V的数字、模拟电压[4]。
VLYNQ接口引脚详细描述如下：（1）TUSB6020的 VLYNQ CLK接外部时钟，VLYNQ控制寄存器中的 CLKDIR比特位设置为 1，VLYNQ接口时钟由 DM6437系统时钟提供。（2）VLYNQ SCRUN为 VLYNQ时钟运行请求引脚，低电平表示允许 VLYNQ时钟运行，高电平表示传输事务结束，VLYNQ时钟运行停止。（3）TMS320DM6437写操作时，将数据压缩、地址编译，经串行编码后由 VLYNQTXD[0:3]发出，TUSB6020将数据进行串行解码和解压缩后读取地址，将数据写入指定寄存器。
（4）TMS320DM6437读操作时，由 VLYNQ TXD[0:3]发送读请求数据包，TUSB6020收到请求后，将数据压缩和串行编码后由 VLYNQ TXD[0:3]发往TMS320DM6437。（5）VLYNQ接口的数据收发与VLYNQ串行时钟同步。
2.2 软件设计
2.2.1 TMS320DM6437和TUSB6020底层通信的实现

TMS320DM6437和TUSB6020底层通信是整个USB体系软件的根基，包括了DM6437对TUSB6020的读、写、设定地址等操作,主要通过 DM6437访问 TUSB6020的控制寄存器来完成。下面是写TUSB6020控制寄存器的部分程序代码。

void TUSB6020_Write_Reg(Uint32*OTG_base_addr，Uint32 offset，Uint8 size，Uint32 data)
{
Uint32 tmp_addr=0;
Uint16 tmp_data=0;
…
{…
case 16:
tmp_addr=*OTG_base_addr;

tmp_addr=tmp_addr+offset;
tmp_data=(Uint16)data;
(*(volatile Uint16*)tmp_addr)=data;
break;
…/*Todo Print Error Message*/
break;
}
}

2.2.2 TUSB6020驱动程序设计
图 5为 DSP/BIOS外设驱动模型。TI公司的DSP／BIOS外设驱动模型分为两层三类，即：类驱动层和微型驱动层，PIP/PI0类、SIO／DIO类和 GI0类，结构图如图5所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />
 
PIO模型具有良好的缓冲器分配回收机制，适合描述视频设备，SIO模型支持更底层的通信，适合设计比较简单的外设驱动程序，GIO模型设计的目的就是针对特殊硬件的新型设备，因此，TUSB6020类驱动程序的设计选用 GIO模型。
GIO模型在提供必要的同步读／写API函数及其扩展函数的同时，将代码和使用数据缓存的大小尽量简化，应用程序可以调用 GIO的 API函数直接与微型驱动的 IOM交换数据。当调用GIO_create创建 TUSB6020的通道实例时，GIO在通道实例中增加I／O请求状态结构、IOM数据包(TUSB6020_USB_Packets)及一个 GIO数据对象。
微型驱动创建规定的函数，应用程序通过 GIO类驱动调用，这些函数将放入TUSB6020_USB_fxns中的相应位置，供应用程序通过 GIO类驱动调用。TMS320DM6437初始化时调用已注册到微型驱动中的 mdBindDev绑定通道函数。mdBindDev函数实现下列功能：根据配置的 TUSB6020设备参数初始化 TUSB6020设备，挂入中断服务函数，获得缓存、DMA等资源；与其对应的 mdUnBindDev绑定通道解除函数使 TUSB6020设备处于无效状态，不能再使用；mdCreateChan通道创建函数为应用程序和驱动程序建立通信通道，并给通道对象设置初始值，为通道申请缓冲区；mdDeleteChan通道删除函数删除已创建好的通道对象，释放缓冲区资源；mdSubmitChan I/O请求发送函数负责管理缓冲区，处理 TUSB6020_USB_Packet包中的命令字段；mdControlChan设备控制函数用来操作 TUSB6020设备，完成 OTG角色转换及数据收发等功能。

3 小结
TUSB6020节省芯片资源，功耗低，架构简洁，接口灵活，兼容性好。本文介绍了TUSB6020的功能特性、内部结构和TUSB6020的工作原理，分析了TUSB6020与外部主机的连接方式，提出了一种TMS320DM6437与TUSB6020的USB OTG接口设计方案。该接口设计可以广泛应用于各种便携式、嵌入式系统中，从而可靠便捷地实现USB OTG功能。
本文作者创新点：提出了TUSB6020与TMS320DM6437的USB OTG设计方案，硬件设计有效利用了VLYNQ接口，软件设计简捷灵活，为USB OTG的接口设计提供了一种新的参考，有广泛的应用价值。