基于ATmega8設計一種通用的USB接口模塊

1、引言

USB接口以其數據傳輸快、連接簡單、易于擴展、支持熱插拔等特點已成為外設與PC通信的主要方式之一。隨著嵌入式系統的發展，嵌入式微處理器需增加通用的USB接口，以便實現與PC等USB主機系統的通信。針對這樣的需求，這里采用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8設計一種通用的USB接口模塊。該模塊可方便為各種嵌入式微處理器增加USB接口，從而實現與USB主機系統的高速通信。

2、系統硬件設計

該系統模塊的控制核心是AVR高速單片機ATmega8。AVR單片機是新一代基于哈佛結構的高速RISC微控制器，具有速度快、價格低、可靠性高，I/O口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點，其內部集成有可進行ISP下載編程的Flash，EEPROM、熔絲位和鎖定位。AVR單片機的ISP下載電纜制作簡單、成本低廉，還有免費的下載軟件(例如PONyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性價比USB接口器件，完全符合USB1.l規范，易于與各種微處理器接口。

由于AVR單片機具有高速性，可利用I/O端口線以軟件方式模擬PDIUSBD12的時序，對其讀寫。這種方式可根據不同的微處理器速度靈活控制PDIUSBD12的時序和地址，無需譯碼電路，從而簡化硬件設計，降低成本。

由于ATmega8片內集成了UART，SPI，I2C等接口，該接口模塊可利用這些接口與其他系統通信，使得該接口模塊成為通用的接口轉換器。

3、USB固件程序設計

本系統模塊的USB固件程序采用符合ANSI C標準的GCC編譯器設計，結合分層次的模塊化結構，可移植性強，只需稍微修改硬件接口層即可將其移植到別的硬件平臺，可重復利用代碼。

USB固件程序設計是基于狀態機和標準的前后臺式程序架構。整個同件程序的模塊化層次結構如圖3所示。首先編寫硬件接口層hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口層，以供上層模塊調用。硬件接口層含有對PDIUSBD12寫指令和讀寫數據的函數，以供上層模塊調用。當CPU不同時，只需修改這些函數即可。由于CPU訪問PDIUS-BD12與普通存儲器一樣，只需根據硬件連接關系，在硬件抽象層中編寫對PDIUSBD12寫指令、寫讀數據的函數，供上層調用即可。實現PDIUSBD12的命令接口層需調用硬件抽象層函數，供上層模塊調用。再設計前后臺程序及標準設備請求程序模塊。

先利用C語言的共用體與位域定義一個全局狀態變量如下所示：用戶可根據需要增加相應的狀態標志位，如UART，SPI，I2C等接口收發數據完成標志來滿足各種情況下的需要，然后定義一個結構體變量用于存放USB的標準設備請求。

在前臺主程序中首先初始化全局變量和其他外圍設備，然后在while(1)的死循環中檢測狀態變量值有無變化，根據不同的狀態變量值調用下層的相應函數完成相關操作。在后臺的中斷服務程序中，根據讀取的中斷寄存器值一方面將PDIUSBD12接收到的數據移入CPU內存或將內存中的數據寫入PDIUSBD12發送端點的緩沖區；另一方面根據具體情況改變狀態變量值。

以下給出了前臺主程序的程序代碼：以下為后臺中斷服務程序：

當前臺主程序檢測到狀態變量收到SETUP包事件bEvent_flags.bits.setup_packet為1時，該標志位清零，再調用標準設備請求模塊stdreq.c的control_handler()函數完成對USB設備的枚舉。

設計標準設備請求模塊，首先利用結構體定義USB枚舉所需的各種描述符，以供不同設備請求使用，其次編寫11個標準的設備請求處理函數。本層請求模塊重要函數是協議控制子程序control han-dler()，它根據ControlData中標識的不同USB設備請求類型調用11個函數中的任意一個。除此之外，本層請示求模塊還實現中斷服務程序調用的控制端點接收與發送中斷處理函數。

4、系統集成與應用

4.1 PC機驅動程序與應用程序的設計

利用該系統模塊實現PC機通訊，需對PC機編寫相關驅動程序和應用程序，可利用DriverStudio軟件生成該系統模塊在Windows環境下的驅動程序。應用程序的設計可使用諸如VB、VC、Delphi以及應用普遍的虛擬儀器軟件開發工具LabVIEW等軟件開發工具，直接調用驅動程序生成的動態鏈接庫中的API函數，可根據具體任務編寫相關應用程序。

4.2 應用于其他系統

利用AVR單片機的多種外設接口特點，例如UART、SPI、I2C接口等可以有效地實現與其他微處理器的通信，將該模塊嵌入各種系統，實現與其他器件的通訊。固件程序中預留有UART、SPI、I2C等接口程序，只需通過簡單的跳線連接就可選擇相應的接口，從而實現應用系統增加USB接口。

4.3 固件程序移植其他平臺

由于固件程序最大限度考慮到可移植性，所以將固件程序稍加修改即可應用于各種已擁有C語言編譯器的微處理器，實現PDIUSBD12直接與微處理器的通訊。

移植固件程序主要工作有：根據硬件連接關系，修改硬件抽象層中的3個讀寫函數，實現CPU與器件之間的通信;通過調用PDIUSBD12命令接口層的讀取芯片ID函數返回值是否為0x1012，測試CPU與器件之間的通訊是否正常。

5、在數據采集器中的應用

由于ATmega8片內集成有逐次比較型ADC，具有6路的模擬輸入通道，所以只需要針對采集的物理量選用相應傳感器，并將輸出信號調整至0～Vcc的范圍內就可利用該模塊實現USB數據采集器。AVR單片機集成有ADC自帶采樣保持電路，具有內部參考電壓和基于睡眠模式的噪聲抑制器，從而大大提高ADC精度，實現高精度的數據采集。而設計只需在相應的固件程序巾增加獲取ADC結果的函數，并設置相應的狀態標志位即可完成USB數據采集器的設計。

6、結束語

以ATmega8和PDIUSBD12為核心，實現通用的USB接口模塊設計，并應用于基于USB接口的數據采集器中。實驗結果表明，該USB接口模塊運行穩定可靠，通信速度快，易于修改移植，滿足嵌人式系統對USB接口的需求，并能快速為各種微處理器增加USB接口，具有廣泛的應用前景。