嵌入式USB的以太網(wǎng)應用系統(tǒng)設計

隨著USB技術的迅速發(fā)展，人們對USB的期望也越來越高。雖然USB技術在臺式計算機領域的地位已經(jīng)固如磐石，但是由于其以主機為中心的拓撲結構，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有的 USB設備都只能與主機建立連接。不僅如此，軟件復雜性以及較高的功率要求，使得人們對嵌入式設備中使用USB的興趣與日俱增。嵌入式USB結合以太網(wǎng)技術可以將USB設備轉換到TCP/IP,讓USB 設備不再受距離限制，可以通過網(wǎng)絡隨時隨地訪問USB設備，可以讓一個USB設備供多個用戶使用，從而提高USB設備的利用率。通過使USB設備具備聯(lián)網(wǎng)能力的設備聯(lián)網(wǎng)服務器，可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)使用USB存儲、USB視頻和USB打印等。本文提出了一種利用ARM7來實現(xiàn)嵌入式USB的方法，并結合以太網(wǎng)應用技術，使得通過網(wǎng)絡可以方便地訪問USB設備。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，系統(tǒng)采用LPC2148控制嵌入式SL811HS和ENC28J60，實現(xiàn)了USB設備與以太網(wǎng)的連接，便于USB設備的網(wǎng)絡共享和數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。SL811HS主要實現(xiàn)USB HOST的功能，它能夠識別USB設備，并能夠對該設備進行讀寫操作。ENC28J60主要完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)USB設備的遠程訪問。



2 系統(tǒng)模塊設計

LPC2148是一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有512KB嵌入的高速片內FLASH存儲器。片內128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大的時鐘頻率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可以使用16位Thumb模式將代碼降低超過30%，而犧牲的性能卻很小。LPC2148具有較小的64腳封裝，最多可以使用46個GPIO。其極低的功耗、多個32位定時器、多路10位ADC、1路DAC以及豐富的接口使其特別適合于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制嵌入式MODEM等各種類型的應用。選用LPC2148的原因是它片內集成了FLASH、RAM、SPI接口，使得外圍電路簡單，性價比高。

ENC28J60是美國微芯科技公司于2005年推出的全球首枚28引腳獨立以太網(wǎng)控制器，可為嵌入式應用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠程通信解決方案。此外，ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用業(yè)界標準的SPI串行接口，只需很少的連線即可與主控芯片機連接，使如圖2所示。其中的CS和RESET接到主控芯片是為了使軟件設計更靈活。



SL811HS是Cypress公司設計的嵌入式USB主機設備控制器，在嵌入式系統(tǒng)中應用很廣泛，能通過軟件控制選擇主從方式，支持低速和全速傳輸并自動檢測低速或全速設備，通過A0區(qū)分地址和數(shù)據(jù)，并支持地址自增模式。SL811HS與主控芯片的接口電路如圖3所示。



3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由嵌入式TCP/IP程序和嵌入式USB兩個部分組成。系統(tǒng)程序通過收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的類型來進行相應的處理，完成特定的功能。例如通過以太網(wǎng)遠程登陸的方式瀏覽和修改本地數(shù)據(jù)，達到本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享的目的。

3.1 嵌入式TCP/IP實現(xiàn)

嵌入式TCP/IP實現(xiàn)包括以太網(wǎng)控制器ENC28J60底層驅動、TCP/IP協(xié)議。ENC28J60 可與許多主控制器上的SPI接口直接相連。此器件只支持SPI 的0,0模式。另外，SPI 端口要求SCK 在空閑狀態(tài)時為低電平，不支持時鐘極性選擇。在SCK 的每個上升沿移入數(shù)據(jù)，命令和數(shù)據(jù)通過SI 引腳送入器件。 ENC28J60在SCK的下降沿從SO引腳輸出數(shù)據(jù)。當執(zhí)行操作時CS 引腳必須保持低電平，當操作完成時返回高電平。

3.1.1ENC28J60底層驅動

在使用ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前，必須對器件進行初始化設置。根據(jù)應用的不同，一些配置選項可能需要更改。通常初始化任務會在復位之后立即完成，并且不再需要更改。初始化任務主要包括：（1）初始化接收緩沖器：在接收數(shù)據(jù)包前，必須編程ERXST和ERXND指針來對接收緩沖器進行初始化。ERXST與ERXND之間的存儲空間專供接收硬件使用。（2）初始化發(fā)送緩沖器：所有未被用作接收緩沖器的存儲空間都將作為發(fā)送緩沖器，故不需要專門對發(fā)送緩沖器進行專門的初始化。（3）等待OST：如果在上電復位后立即進行初始化，應查詢ESTAT.CLKRDY位，確保在開始修改MAC和PHY寄存器前已經(jīng)經(jīng)過足夠長的時間。（4）PHY初始化：PHY寄存器不能通過SPI控制接口直接訪問，而是通過一組帶有MIIM的特殊MAC控制寄存器來完成的。程序中在配置LED時用到了PHY寫函數(shù)。寫PHY寄存器時，先將PHY寄存器的地址寫入MIREGADR，然后將要寫入高低8位的內容分別寫入MIWRH、MIWRL即可。

發(fā)送數(shù)據(jù)包時，ENC28J60會自動生成前導符和幀起始定界符。此外MAC還可以根據(jù)配置自動生成填充和CRC字段。主控制器要生成所有其他幀字段，并將他們寫入緩沖器，以待發(fā)送。此外，ENC28J60還要求在待發(fā)送的數(shù)據(jù)包前添加一個包的控制字節(jié)。接收數(shù)據(jù)包時可以使用中斷的方式，也可以使用查詢的方式。由于本設計對實時性要求不是很高，故采用查詢的方式。如果有數(shù)據(jù)包到達，ENC28J60將置位EIR寄存器的PTKIF位。程序運行時不斷地查詢該位以判斷有無數(shù)據(jù)包到達。

3.1.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包處理

網(wǎng)絡協(xié)議通常是在不同的協(xié)議層上進行開發(fā)，每一層負責不同的通信功能。TCP/IP 協(xié)議是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。當系統(tǒng)收到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議中由數(shù)據(jù)鏈路層逐層剝離其中各層協(xié)議所加的首部。主程序按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀分用的思路進行編制，程序框架如圖4所示。



3.2  嵌入式USB實現(xiàn)

嵌入式USB軟件主要分成4個部分：SL811HS初始化、USB設備的識別及配置、海量存儲協(xié)議和FAT文件系統(tǒng)。SL811HS共有16個配置寄存器，其中00-04H、08H-0CH是USB-A、USB-B的工作配置寄存器，05H是控制寄存器1，06H是中斷使能寄存器，07H的各位均為保留位，0DH為狀態(tài)寄存器，0EH為SOF計數(shù)寄存器，0FH為SOF計數(shù)寄存器的高位和控制寄存器2。在SL811HS上電開始工作之后，首先將寄存器05H的第3位置1，延時30 ms后清零，便可以對USB總線復位；然后在06H寄存器中寫入61H，使能設備檢測中斷。

當有設備插入時，會使SL811HS的D+管腳置高，SL811HS的寄存器0DH的第7位置1并產生中斷，系統(tǒng)會識別到有USB設備插入，即可對USB設備進行配置了。通過標準設備請求函數(shù)ClearFeaure（）、GetConfiguraTIon（）、GetDescriptor（）、SetAddress（）等函數(shù)完成對設備的配置。

本系統(tǒng)可以檢測U盤的狀態(tài)(如接入、拔出)，通過網(wǎng)絡對U盤的訪問，包括創(chuàng)建文件、目錄和讀寫文件等，實現(xiàn)了USB設備網(wǎng)絡共享的目的。 但是由于不同USB設備的驅動通常也不同，USB作為嵌入式應用時不可能像PC機操作系統(tǒng)把所有的驅動都裝上。但是隨著嵌入式技術的發(fā)展，可以采用網(wǎng)絡更新驅動的方式，只要某種USB設備接上就可以通過更新系統(tǒng)的固件，達到識別該設備和使用該設備的目的。這也是本系統(tǒng)目前這也是本系統(tǒng)目前需要完善的地方。