基于ATmega128和CH374的USB接口設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)嵌入式MCU的USB接口需求，提出了以ATmega128為微處理器，采用USB控制器CH374，用SPI串口方式設(shè)計(jì)了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機(jī)進(jìn)行通訊問(wèn)題。文中介紹了該接口的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法，充分利用南京沁恒公司提供的資源，大大降低了軟件設(shè)計(jì)的難度，提高了工作效率。在1KW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中得到了應(yīng)用，實(shí)踐證明，該USB接口工作穩(wěn)定、可靠，成本較低，取得了良好的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：ATmega128；CH374；SPI；USB接口

    隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式MCU需要增加USB接口，以便實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)等USB主機(jī)系統(tǒng)的通信。針對(duì)這樣的需求，解決方案比較多，均有一個(gè)共同點(diǎn)，都采用PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，該芯片為并行總線接口，占用過(guò)多的MCU端口資源，且與MCU的軟件接口編寫(xiě)復(fù)雜，同時(shí)芯片價(jià)格也不便宜。為此，采用南京沁恒電子有限公司的USB芯片CH374設(shè)計(jì)了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機(jī)通信問(wèn)題。CH374不僅價(jià)格有優(yōu)勢(shì)，該公司還提供了完善的USB驅(qū)動(dòng)程序，且在芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、串行接口、命令解釋器、通用的固件程序等，這樣，以CH374設(shè)計(jì)的USB設(shè)備，不需要詳細(xì)了解USB通訊協(xié)議，開(kāi)發(fā)編程非常方便。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)原理
    該系統(tǒng)以ATmega128單片機(jī)和CH374接口芯片為核心。ATmega128單片機(jī)是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)8位低功耗CMOS微處理器，內(nèi)部帶有128 Kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器；4 Kb的EEPROM；4 Kb的SRAM；串行外圍設(shè)備接口(SPI)；有53個(gè)可編程的通用I／O腳，32個(gè)通用工作寄存器；有4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)；自帶8通道10位ADC，可選的可編程增益；片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器：與IEEE1149．1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，可以用于片上調(diào)試；6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式，采用64引腳TQFP與MLF封裝；峰值運(yùn)算速度達(dá)16 MIPS，非常適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。
    USB器件采用CH374。該芯片支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE／SLAVE設(shè)備方式，內(nèi)置3端口HUB根集線器，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步／等時(shí)傳輸。CH374具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)／DSP ／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH374的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通信就如同讀寫(xiě)文件，降低了開(kāi)發(fā)難度，除此之外，CH374還提供了節(jié)約I／O引腳的SPI串行通訊方式，通過(guò)SPI串行接口以及中斷輸出與單片機(jī)／DSP／MCU／   MPU等相連接。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1．2 硬件電路
    CH374通過(guò)SPI串行接口以及中斷輸出與單片機(jī)連接，以便節(jié)約單片機(jī)的I／O引腳。CH374芯片的RD#引腳和WD#為低電平(接地)且CS#引腳為高電平(接正電源)，則CH374將工作于SPI串口方式。在SPI串口方式下，CH374只需要與ATmega128單片機(jī)連接5個(gè)信號(hào)線：SCS#引腳、SCK
引腳、SDI引腳、SDO引腳以及INT#引腳，其它引腳都可以懸空。電路示意圖如圖2所示。

    ATmega128單片機(jī)配置為SPI主機(jī)時(shí)，SPI接口不自動(dòng)控制PBO(SS#)引腳，必須由用戶軟件在通信開(kāi)始前進(jìn)行處理。對(duì)SPI數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)即啟動(dòng)SPI時(shí)鐘，將8比特的數(shù)據(jù)移入CH374芯片。CH374的SPI接口支持SPI模式0和SPI模式3，CH374總是從SPI時(shí)鐘SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，并在允許輸出時(shí)從SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位順序是高位在前，計(jì)滿8位為一個(gè)字節(jié)。SPI的操作步驟如下：
    1)ATmega128產(chǎn)生CH374芯片的SPI片選，低電平有效；
    2)ATmega128按SPI輸出方式發(fā)出一個(gè)字節(jié)的地址碼，用于指定其后讀寫(xiě)操作的起始地址；
    3)ATmega128發(fā)出一個(gè)字節(jié)的命令碼指明操作方向，讀操作命令碼是COH，寫(xiě)操作命令碼是80H；
    4)如果是寫(xiě)操作，ATmega128發(fā)出一個(gè)字節(jié)的待寫(xiě)數(shù)據(jù)，CH374收到并保存到指定地址后地址自動(dòng)加1，ATmega128繼續(xù)發(fā)出若干個(gè)字節(jié)的待寫(xiě)數(shù)據(jù)，CH374依次處理，直到ATmega128禁止SPI片選；
    5)如果是讀操作，CH374從指定地址讀出一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)并輸出后地址自動(dòng)加1，ATmega128收到數(shù)據(jù)并保存，CH374繼續(xù)從下一個(gè)地址讀出數(shù)據(jù)并輸出，直到ATmega128禁止SPI片選；
    6)ATmega128禁止CH374芯片的SPI片選，以結(jié)束當(dāng)前SPI操作。
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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件開(kāi)發(fā)采用ATMEL公司的AVR STUDIO 3．53集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括：AVR ASSEMBLER編譯器、AVR STUDIO調(diào)試功能、AVR PROG串行、并行下載功能、JTAG ICE仿真功能，本設(shè)計(jì)采用的是JTAG ICE仿真調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)主要包括固件程序設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)3個(gè)部分。
2．1 固件程序設(shè)計(jì)
    CH374內(nèi)置了USB通信中的底層協(xié)議，因此單片機(jī)程序非常簡(jiǎn)潔。在外置固件模式下，在完成CH374的初始化工作后，由外部單片機(jī)根據(jù)需要自行處理各種USB請(qǐng)求，從而完成USB總線連接過(guò)程。初始化CH374主要完成USB設(shè)備的枚舉，CH374初始化程序的程序如下：
    void CH374_PORT_INIT() ／*進(jìn)行初始化*／
    { unsigned char i；
    PORTB |=0x03；／*禁止SPI片選，設(shè)置SCS#默認(rèn)為高電平*／
    DDRB |=0x07；／*設(shè)置SCS#，SCK，SDI為輸出*／
    DDRB＆=0x08；／*SDO輸入*／
    SPCR=0x5C；／*設(shè)置SPI模式3*／
    CH374_DAT_PORT=1；／*設(shè)置為使用外置固件的USB設(shè)備方式*／／*下述啟用中斷，CH374連接在INT0*／
    IT0=0；／*置外部信號(hào)為低電平觸發(fā)*／
    IE0=0；／*清中斷標(biāo)志*／
    EX0=1；／*允許CH374中斷*／
    }
2．2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    CH374在計(jì)算機(jī)端提供了應(yīng)用層接口，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。應(yīng)用層接口是由CH374動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供的面向功能應(yīng)用的API，包括設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API和中斷處理API。
    設(shè)備管理API主要包括：1)打開(kāi)、關(guān)閉設(shè)備；2)獲取USB設(shè)備，配置描述符；3)復(fù)位USB設(shè)備。
    數(shù)據(jù)傳輸API主要包括：1)讀取數(shù)據(jù)塊；2)寫(xiě)出數(shù)據(jù)塊。
    中斷處理API主要包括：1)讀取中斷數(shù)據(jù)；2)設(shè)定中斷服務(wù)程序。
    使用這些API函數(shù)，可以很容易地開(kāi)發(fā)出與硬件電路相配套的應(yīng)用軟件，CH374與計(jì)算機(jī)連接的上位機(jī)總體程序流程圖如圖3所示。

2．3 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    USB驅(qū)動(dòng)程序可以采用WDM(Windows Driver Mode)模式設(shè)計(jì)。WDM驅(qū)動(dòng)程序采用靈活的分層驅(qū)動(dòng)方法，在用戶和物理設(shè)備之間存在著幾個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟?，且各層上的WDM驅(qū)動(dòng)程序具有不同優(yōu)先級(jí)。利用WDM設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序可根據(jù)用戶的需要調(diào)整，靈活性好，但需要了解操作系統(tǒng)原理及相關(guān)硬件工作細(xì)節(jié)，而且工作量較大。所以，USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用CH374芯片廠家提供的通用驅(qū)動(dòng)程序，直接下載后安裝即可，大大降低了開(kāi)發(fā)的難度。

3 應(yīng)用結(jié)果
    文中所設(shè)計(jì)的USB接口在1kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該發(fā)電裝置對(duì)太陽(yáng)的跟蹤采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡法，所需要的太陽(yáng)赤緯度角δ、緯度角δ和時(shí)角δ由計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口芯片CH374寫(xiě)入ATmega128單片機(jī)，然后單片機(jī)通過(guò)一套計(jì)算公式計(jì)算出太陽(yáng)的位置，即實(shí)際時(shí)刻太陽(yáng)所在高度角和方位角，輸出一定的脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電裝置轉(zhuǎn)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。同時(shí)，通過(guò)CH374把整個(gè)發(fā)電裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)顯示，以便實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，為今后在25 kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的研制打下基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，該USB接口工作穩(wěn)定、可靠，成本較低，完全能夠滿足碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的控制指標(biāo)要求，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)
    以ATmega128和CH374為核心，通過(guò)SPI串口通訊方式設(shè)計(jì)了一款USB接口，系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單，不需要編寫(xiě)復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)USB與PC的通信，研發(fā)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)在實(shí)際項(xiàng)目中投入了使用，效果良好，具有一定的設(shè)計(jì)參考價(jià)值。