遵循USB协议的主/从机系统设计方案

0 引言

随着PDA、移动电话、数码相机、打印机等消费类产品的普及，用于这些设备与电脑、或设备与设备之间的高速数据传输技术越来越受到人们的关注。以往以计算机为核心的数据传输结构，非常不利于USB,总线在嵌入式行业的应用，也不适用于野外作业，而OTG技术的推出则可实现在没有PC的情况下，设备与设备之间的数据传输，它拓展了USB技术的应用范围。本文采用的设计方案是基于Philips公司的ISP1362 OTG控制芯片，参照最新的USB OTG技术规范，设计了一种遵循USB协议的主/从机系统。

1 ISP1362芯片的内部结构

Philips公司的ISP1362是一款符合USB 2.0总线协议的接口芯片，内部有3个USB控制器一主机控制器、设备控制器和OTG控制器。其中，主机控制器具备高度优化的USB主机功能;设备控制器则具有多达14个可编程端点，又可以被配置成双缓冲端点进一步提高吞吐量：而OTG控制器主要提供包括监控和转换功能在内的所有OTG控制。ISP1362内部构造如图1所示。

2 USB OTG主/从机系统设计

USB OTG主/从机系统设计包括硬件设计和软件设计两大模块。其中硬件电路主要是USB接口电路板的设计;软件设计包括设备初始化、系统的功能设计、设备驱动程序设计等，下面分别介绍系统软、硬件系统的设计方法。

2.1 系统硬件电路设计

USB OTG主/从机设计的硬件电路如图2所示，图中ATmega 32的PD口和IPA口用于控制ISP1362的时序，PB口和PC口则用于与ISP1362的D[0..15]进行数据交换。ISP1362芯片有Port1和IPort2两个USB接口。Port1是个综合接口，可以配置成downstream、upstream或者是OTG;Port2是作为固定的downstream，主要接一般的USB设备。当ISP1362做主机时，主机内部的寄存器通过检测其相应状态寄存器的值就可以判断是Port1还是Port2接了设备，从而进行相应的处理。

ISP1362的Port1口主/从机功能通过ID、OTGMODE两引脚电平的高低组合来确定。当OTGMODE引脚接低，无论ID电平如何，则芯片的Port1口只能OTG用;如果OTGMODE接高，ID接低，芯片的Port1口作主机使用;OTGMODE接高，ID也接高时，则芯片的Port1口作外设使用。在电路中通过15kΩ的上拉电阻和下拉电阻实现ID、OTGMODE两引脚电平的高低变化。

2.2 系统软件设计

本设计的主机系统是一个软件和硬件的集合体，功能的实现不依赖于任何操作系统，而是通过中断来调度各个任务，使之满足USB通信的要求，因此系统是按照协议规范和特定的时序运行的。

本系统是ISP1362工作于主/从机模式下的应用，按系统硬件电路配置完成接口芯片，然后对其编程，就可以进行USB数据传输。系统工作流程如下：首先进行系统初始化，构建PTD传输描述符，接着总线枚举过程，给外设分配地址，获取外设的基本信息，并判断外设为主机设备或是从机设备，之后驱动相应的主/从机驱动程序运行，数据传送和接收，根据总线的活动情况判断是否挂起。系统流程图如图3所示：

实现ISP1362芯片的软件编程控制，就是对该芯片的CS、RD、WR、A0、A1引脚的控制。本文中CS代表片选，低电平有效;RD代表读信号，低电平有效;WR代表写信号，低电平有效;A0引脚电平的高低不同，分别表示传输的信号代表的是命令信号还是数据信号;A1引脚电平的高低不同，分别表示控制的是外设还是主机。通过上述几个引脚信号的组合，可以实现读写控制ISP1362的不同功能。除此之外，以下的几个引脚对于控制ISP1362也有重大意义：DREQ1引脚代表DMA请求输出，当它高电平有效时，通知IDMA控制器主机正在请求数据传送;DREQ2引脚高电平有效时，通知DMA控制器外设正在请求数据传送;DACK1引脚代表DMA确认输入，低电平有效时表明来自主机的DMA传输请求已经被DMA控制器确认;DACK2引脚低电平有效时表明来自外设的DMA传输请求已经被DMA控制器确认;INT1和INT2引脚连接到外部微处理器的IRQ引脚，使得ISP1362可以根据请求执行中断服务程序。软件设计具体工作流程如下：

(1)系统硬件初始化，包括ATmega32和ISP1362的初始化。AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器，它具有功耗低、速度快、输出高、开发工具开放、性价比高等优点，它的程序存储器和数据存储器是可以独立访问的哈佛结构，因此代码执行效率非常高。ATmega系列单片机的内部模块还很丰富，可用的资源也很多，本文对ATmega32的初始化，就是要对它的I/O口、定时器、时钟、看门狗等进行相应的设置，使之开始工作。而ISP1362的初始化，就是当ISP1362上电后，主机控制器驱动程序(HCD)必须通过一系列的硬件初始化步骤来配置主机控制器，从而进入可操作状态。首先检测主机控制器是否存在，此步由MCU(单片机)实现，本文通过MCL响HcScratch寄存器内写入某个值，再从该寄存器中读取，将读出值与写入数值进行比较，若相等，则可说明主机控制器存在;反之则出错，无主机控制器存在。

(2)构建PTD描述符。PTD(Phi l ips Transfer Descriptor)为ISP1362主机控制器与外围设备的通信提供了一个传输渠道，要在主机与外设之间进行通讯，首先需要构建一个PTD。PTD具有3种传输类型：控制和批量传输(非周期传输)PTD、中断传输PTD和同步传输PTD。

(3)主机分配地址给设备，获取设备描述符和设备的功能信息。主机通过不断地向外设发送设备请求来获取设备、端点的功能信息。获取USB设备描述符的过程分为三个步骤：a.主机通过设备的默认端点获取设备描述符，为设备分配一个惟一的地址;b.主机读取配置描述符信息、接口描述符信息和端点描述符信息;c.根据设备的相关信息调用相应的事务处理程序。

(4)设备枚举成功之后，主机就可以根据已编写的进程与外设进行USB通信，等待、查询数据的发送和接收。

(5)数据发送或接收完毕之后，根据QueryBus函数查询总线的活动情况，判断设备是否需要挂起。

2.3 设备驱动程序

要实现主机对从机的读写，USB主机必须具有相应的驱动，对各种读写指令进行封装、解释和执行。开发驱动有很多种方法，本文采用直接在USB主机接口驱动上层封装一个USB传输API 函数-USBXfer，应用于实现各种USB传输。

3 结束语

本文设计的USB 0TG主从机系统性能稳定，数据传输效率高。测试表明，此设计能够正确地实现USB 0TG主从机间的数据交换，性能可以满足设备间的数据传输要求，同时又能很好地控制成本，具有一定的实用价值。