摘要：針對嵌入式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串口方式設計了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機進行通訊問題。文中介紹了該接口的硬件電路和軟件設計方法，充分利用南京沁恒公司提供的資源，大大降低了軟件設計的難度，提高了工作效率。在1KW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置中得到了應用，實踐證明，該USB接口工作穩(wěn)定、可靠，成本較低，取得了良好的應用效果。
關鍵詞：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，以便實現(xiàn)與PC機等USB主機系統(tǒng)的通信。針對這樣的需求，解決方案比較多，均有一個共同點，都采用PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，該芯片為并行總線接口，占用過多的MCU端口資源，且與MCU的軟件接口編寫復雜，同時芯片價格也不便宜。為此，采用南京沁恒電子有限公司的USB芯片CH374設計了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機通信問題。CH374不僅價格有優(yōu)勢，該公司還提供了完善的USB驅動程序，且在芯片內部集成了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、串行接口、命令解釋器、通用的固件程序等，這樣，以CH374設計的USB設備，不需要詳細了解USB通訊協(xié)議，開發(fā)編程非常方便。
1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)以ATmega128單片機和CH374接口芯片為核心。ATmega128單片機是基于AVR RISC結構8位低功耗CMOS微處理器，內部帶有128 Kb的系統(tǒng)內可編程FLASH程序存儲器；4 Kb的EEPROM；4 Kb的SRAM；串行外圍設備接口(SPI)；有53個可編程的通用I／O腳，32個通用工作寄存器；有4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)；自帶8通道10位ADC，可選的可編程增益；片內振蕩器的可編程看門狗定時器：與IEEE1149．1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，可以用于片上調試；6種可以通過軟件選擇的省電模式，采用64引腳TQFP與MLF封裝；峰值運算速度達16 MIPS，非常適合應用在嵌入式系統(tǒng)中。
USB器件采用CH374。該芯片支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE／SLAVE設備方式，內置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／等時傳輸。CH374具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機／DSP ／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在計算機系統(tǒng)中，CH374的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通信就如同讀寫文件，降低了開發(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SPI串行接口以及中斷輸出與單片機／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SPI串行接口以及中斷輸出與單片機連接，以便節(jié)約單片機的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單片機連接5個信號線：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單片機配置為SPI主機時，SPI接口不自動控制PBO(SS#)引腳，必須由用戶軟件在通信開始前進行處理。對SPI數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)即啟動SPI時鐘，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時鐘SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，并在允許輸出時從SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位順序是高位在前，計滿8位為一個字節(jié)。SPI的操作步驟如下：
1)ATmega128產生CH374芯片的SPI片選，低電平有效；
2)ATmega128按SPI輸出方式發(fā)出一個字節(jié)的地址碼，用于指定其后讀寫操作的起始地址；
3)ATmega128發(fā)出一個字節(jié)的命令碼指明操作方向，讀操作命令碼是COH，寫操作命令碼是80H；
4)如果是寫操作，ATmega128發(fā)出一個字節(jié)的待寫數(shù)據(jù)，CH374收到并保存到指定地址后地址自動加1，ATmega128繼續(xù)發(fā)出若干個字節(jié)的待寫數(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字節(jié)數(shù)據(jù)并輸出后地址自動加1，ATmega128收到數(shù)據(jù)并保存，CH374繼續(xù)從下一個地址讀出數(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，以結束當前SPI操作。
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2 系統(tǒng)軟件設計
軟件開發(fā)采用ATMEL公司的AVR STUDIO 3．53集成開發(fā)環(huán)境，包括：AVR ASSEMBLER編譯器、AVR STUDIO調試功能、AVR PROG串行、并行下載功能、JTAG ICE仿真功能，本設計采用的是JTAG ICE仿真調試。軟件設計主要包括固件程序設計、應用程序設計和驅動程序設計3個部分。
2．1 固件程序設計
CH374內置了USB通信中的底層協(xié)議，因此單片機程序非常簡潔。在外置固件模式下，在完成CH374的初始化工作后，由外部單片機根據(jù)需要自行處理各種USB請求，從而完成USB總線連接過程。初始化CH374主要完成USB設備的枚舉，CH374初始化程序的程序如下：
void CH374_PORT_INIT() ／*進行初始化*／
{ unsigned char i；
PORTB |=0x03；／*禁止SPI片選，設置SCS#默認為高電平*／
DDRB |=0x07；／*設置SCS#，SCK，SDI為輸出*／
DDRB＆=0x08；／*SDO輸入*／
SPCR=0x5C；／*設置SPI模式3*／
CH374_DAT_PORT=1；／*設置為使用外置固件的USB設備方式*／／*下述啟用中斷，CH374連接在INT0*／
IT0=0；／*置外部信號為低電平觸發(fā)*／
IE0=0；／*清中斷標志*／
EX0=1；／*允許CH374中斷*／
}
2．2 應用程序設計
CH374在計算機端提供了應用層接口，應用程序的設計可根據(jù)用戶的需求進行適當調整。應用層接口是由CH374動態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應用的API，包括設備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API和中斷處理API。
設備管理API主要包括：1)打開、關閉設備；2)獲取USB設備，配置描述符；3)復位USB設備。
數(shù)據(jù)傳輸API主要包括：1)讀取數(shù)據(jù)塊；2)寫出數(shù)據(jù)塊。
中斷處理API主要包括：1)讀取中斷數(shù)據(jù)；2)設定中斷服務程序。
使用這些API函數(shù)，可以很容易地開發(fā)出與硬件電路相配套的應用軟件，CH374與計算機連接的上位機總體程序流程圖如圖3所示。
2．3 USB驅動程序設計
USB驅動程序可以采用WDM(Windows Driver Mode)模式設計。WDM驅動程序采用靈活的分層驅動方法，在用戶和物理設備之間存在著幾個不同的驅動程序層次，且各層上的WDM驅動程序具有不同優(yōu)先級。利用WDM設計的驅動程序可根據(jù)用戶的需要調整，靈活性好，但需要了解操作系統(tǒng)原理及相關硬件工作細節(jié)，而且工作量較大。所以，USB驅動程序設計采用CH374芯片廠家提供的通用驅動程序，直接下載后安裝即可，大大降低了開發(fā)的難度。
3 應用結果
文中所設計的USB接口在1kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置中得到了應用，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤，系統(tǒng)結構如圖4所示。該發(fā)電裝置對太陽的跟蹤采用視日運動軌跡法，所需要的太陽赤緯度角δ、緯度角δ和時角δ由計算機通過USB接口芯片CH374寫入ATmega128單片機，然后單片機通過一套計算公式計算出太陽的位置，即實際時刻太陽所在高度角和方位角，輸出一定的脈沖數(shù)，驅動伺服電機轉動，使發(fā)電裝置轉到要求的位置，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。同時，通過CH374把整個發(fā)電裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給計算機，在計算機顯示，以便實現(xiàn)人機對話，為今后在25 kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研制打下基礎。實踐證明，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能熱發(fā)電裝置的控制指標要求，取得了良好的應用效果。
4 結束語
以ATmega128和CH374為核心，通過SPI串口通訊方式設計了一款USB接口，系統(tǒng)硬件簡單，不需要編寫復雜的USB驅動程序，利用其動態(tài)鏈接庫即可實現(xiàn)USB與PC的通信，研發(fā)簡單，易于實現(xiàn)。該設計在實際項目中投入了使用，效果良好，具有一定的設計參考價值。
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