基于SPI的USB控制器接口設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞 MAX3420 SPI USB
目前，USB接口的使用越來越廣泛，許多設(shè)備上都提供了USB接口。傳統(tǒng)的USB控制器需要使用包括數(shù)據(jù)線和控制線在內(nèi)的十多根線，占用了大量的CPU資源。而現(xiàn)代設(shè)備正在向體積小、功能強(qiáng)的方向發(fā)展，CPU更是要求表貼封裝，功耗低，其自身資源非常有限，所以在擴(kuò)展接口方面必須要盡可能少地占用已有芯片資源。本文介紹了如何使用MAX3420進(jìn)行USB接口擴(kuò)展。MAX3420提供了SPI接口，只需3～4根線便可實(shí)現(xiàn)USB接口。
1 MAX3420簡介
MAX3420是Maxim公司推出的一款全速USB外設(shè)，包括必要的數(shù)字邏輯和模擬電路，支持USB2．O協(xié)議。MAX3420內(nèi)建全速收發(fā)器，支持±15kV的ESD保護(hù)，可以編程控制USB總線的連接和斷開；內(nèi)含的串行接口引擎可以控制底層的USB協(xié)議細(xì)節(jié)，如錯(cuò)誤校驗(yàn)和總線重連接。MAX3420通過SPI接口操作其內(nèi)部寄存器，工作頻率為26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根線便可增加USB功能。
2 MAX3420的外圍電路
作為一款全速USB外設(shè)，MAX3420的外圍電路并不復(fù)雜，如圖1所示，圖中采用USB自身供電方式，右上角的3．3V穩(wěn)壓器表示產(chǎn)生3．3 V電壓、為CPU供電的電壓轉(zhuǎn)換芯片，常用的有AS2830、LMlll7等。與CPU連接的引腳共有6個(gè)，其名稱和功能如表l所列。其中，USB配置必需的引腳是SCLK、SS和MISO三個(gè)。芯片的供電電壓為0～4 V，可以采用3．3 V供電；采用12 MHz晶振，內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行4倍頻；還提供了4個(gè)通用輸出口和4個(gè)通用輸入口，便于CPU的I／O口擴(kuò)展。
帶有SPI接口的CPU，與MAX3420的接口十分方便；如果不帶SPI接口，則也可用I／O口來實(shí)現(xiàn)SPI的功能。圖2為CPU與MAX3420的接口原理圖。
3 MAX3420的工作方式
MAX3420的SPI接口可工作于以下兩種工作方式：全雙工方式(MOSI輸入／MISO輸出)和半雙工方式(MOSI輸入／輸出)。
3.1 全雙工方式
全雙工方式下的讀操作：
①SS為高，MAX3420未選中，MISO為高阻態(tài)。
②當(dāng)SCLK為靜止態(tài)時(shí)，SS了，低，MAX3420選中；打開MISO輸出緩沖，將要發(fā)送數(shù)據(jù)的最高位送到MISO輸出。
③SPI主方式下，首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令由MOSI發(fā)送；MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態(tài)位。
④8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作，MISO輸出高阻態(tài)。在SCLK下降沿，下一個(gè)輸出數(shù)據(jù)的最高位在MISO順序輸出。
全雙工方式下的寫操作：
①SPI主方式下設(shè)置時(shí)鐘為靜止態(tài)，SS為高。
②SS為低，將要寫的數(shù)據(jù)的最高位放到MOSI輸入。
③SPI主方式下．首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令由MOSI發(fā)送；MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態(tài)位。
④8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作。
全雙工方式下的讀／寫時(shí)序圖如圖3所示。
3．2 半雙工方式
半雙工方式下MISO為高阻態(tài)，MOSI為雙向。由于只有一根線，因此半雙工方式下USB狀態(tài)位不再有效。半雙工方式下的讀/寫操作：
①SS為高，MAX3420未選中，MOSI可以為任意值。
②當(dāng)SCLK為靜止態(tài)時(shí)，SS為低，MAX3420選中；將要寫的數(shù)據(jù)的最高位送到MOSI輸入。
③SPI主控制器打開輸出驅(qū)動，首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令在SCLK上升沿由MOSI發(fā)送；8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，SS為高。
④如果要寫SPI數(shù)據(jù)，則SPI主控制器保持打開輸出驅(qū)動，在SCLK脈沖下，順序?qū)?shù)據(jù)位送到MOSI引腳；如果要讀SPI數(shù)據(jù)，則在8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，SPI主控制器關(guān)閉輸出驅(qū)動，開始從MOSI按時(shí)鐘脈沖讀入數(shù)據(jù)。
⑤SS為高．MAX3420停止工作。
半雙工方式下的讀/寫時(shí)序圖如圖4所示。
4 USB程序流程
MAX3420共有4個(gè)端點(diǎn)，即EP0～EP3。其中：EP0為64字節(jié)的雙向控制端點(diǎn)；EPl為2×64個(gè)字節(jié)的雙緩沖、批處理／中斷輸出端點(diǎn)；EP2為2×64個(gè)字節(jié)的雙緩沖、批處理／中斷輸入端點(diǎn)；EP3為64字節(jié)的批處理／中斷輸入端點(diǎn)。EPO主要用于枚舉過程中發(fā)送命令，EP1和EP2主要用于完成大批量數(shù)據(jù)的收發(fā)。如圖5所示，USB2．0協(xié)議由硬件接入層、中間層及上層應(yīng)用3部分構(gòu)成。其中：硬件接入層是與CPU緊密聯(lián)系的，其他兩層是與硬件無關(guān)的。硬件接入層主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)函數(shù)outport()和inport()。這兩個(gè)函數(shù)是整個(gè)USB協(xié)議在硬件上運(yùn)行的基礎(chǔ)，只要在硬件接入層針對不同的CPU和MAX3420實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)函數(shù)，便可以保證USB接口的正常工作。
本文以PICl8F2520和MAX3420為例，在全雙工方式下說明以上兩個(gè)函數(shù)的示意性代碼。
void outport(unsigned char port，unsigned char value){
使能CPU的SPI模式；
設(shè)置CUP的SPI為主共和方式，MAX3420的SPI為從工作方式；
使能CPU的SPI模式；
設(shè)置CPU的SPI為主工作方式，MAX3420的SPI為從工作方式；
USB2．0協(xié)議規(guī)定USB接口工作于被動工作方式，協(xié)議中間層主要包括總線重連接、EP0收發(fā)和中斷處理等幾部分，其工作流程如圖6所示。協(xié)議上層應(yīng)用程序由程序員按照規(guī)范根據(jù)具體需要編寫。
5 總 結(jié)
將MAX3420用于汽車車載故障診斷儀的USB接口設(shè)計(jì)，實(shí)際傳輸速率可達(dá)20 Mbps左右，完全可以滿足對汽車總線上傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集要求；總共占用CPU的6個(gè)引腳，用于與MAX3420的控制、數(shù)據(jù)接口，實(shí)際使用效果良好。
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