由于人們對數(shù)字形式信息的需求量越來越大，數(shù)據(jù)通信及其應用技術受到越來越廣泛的關注和應用,。隨著技術的發(fā)展,。USB通信正向高速、方便快捷,、穩(wěn)定可靠的方向發(fā)展。目前,，大多數(shù)USB設備都是需要與PC機相連進行通信,，而USB設備之間的通信則無法實現(xiàn)。而對于一些處在特殊環(huán)境下的稱重設備的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)升級，PC機很不方便實現(xiàn),，因此迫切要求開發(fā)出能夠識別USB設備的主機端口,。這樣使用U盤等設備就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設計在AT91SAM7X256控制器的基礎上,，增加了主機端口,，適用于工礦企業(yè)中稱重設備的數(shù)據(jù)更新和系統(tǒng)升級。
1 系統(tǒng)整體方案
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線,，提供一種兼容不同速度的,、可擴充的，使用方便的外圍設備接口,，同時也是為解決計算機接口太多等問題而設計的,。在嵌入式系統(tǒng)中如果處理器集成了OHCI標準的USB主機控制器，則直接就可以引出USB主控端口：而對于沒有集成的處理器,，則需要使用USB主控器件,，從總線上擴展USB主機接口。很多IC制造商都提供這種主控器件,，如Scanlogic公司的SL811HS／T等,。在編寫USB設備驅動程序設計時，可以分為3部分編寫：主機端設備驅動程序,、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序,。對于一些不具備USB主機端口的設備，為了實現(xiàn)通信的方便,、快捷性,，如與U盤直接通信等設備是完全有必要在原來設備的基礎上擴展USB主機端口。
該系統(tǒng)硬件設計是由電源,、復位,、時鐘電路、以太網口,、USB主機和設備端口以及串口組成,，其結構框圖如圖1所示。其中,，以太網口用于將設備接入網絡實行遠程管理和監(jiān)控,。將設備的數(shù)據(jù)接入Internet，實現(xiàn)遠程監(jiān)控,，適用于工礦企業(yè)設備的集中化管理和維護,。USB主機端口通過主機控制器SL811HS／T與控制器AT9lSAM7X256相連，進行數(shù)據(jù)通信,。USB設備端口作為與PC機通信的接口,。該系統(tǒng)設計的創(chuàng)新在于該設備拋開了PC機,，既可作為主機，也可作為外設,，并與其他0TG設備直接實現(xiàn)點對點通信,。
2 硬件電路設計
USB主機與設備之間的通信最終都是通過USB主機控制器和USB設備的總線接口間的電纜實現(xiàn)的，任何一個輸出請求都是由主機控制器組成包的形式發(fā)往總線的,。USB,總線中只有一個主機,，它是USB樹形結構的根，通過一個根HUB提供一個或多個連接點,，由其連接各個USB設備,。
2．1 核心器件選型
該系統(tǒng)設計選用Scanlogic公司的SL811HS／T作為USB主機接口器件，該器件是既能用作Host模式又能用作Slave模式的,，具有標準微處理器總線接口USB控制器,，適用于非PC設備在Host模式下，它支持嵌入式主機與USB外圍設備的通信,，在Slave模式下,，可作為主機的一個外設。SL811HS具有以下特點：是遵循USBl．1協(xié)議的嵌入式USB Host／Slave器件,；提供8 bit寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持,，方便與微處理器、微控制器連接,；通過硬件設置或軟件設置,，工作在Host或Slave模式；自動探測所接設備是低速設備還是高速設備：8 bit雙向數(shù)據(jù)總線,；片上SI-E,、USB收發(fā)器；軟件控制下運行為單個USB主或從設備主機或從設備模式有1．5 Mb／s的低速,，12 Mb／s的全速,，自動識別低速和全速設備8位雙向數(shù)據(jù)，工作于12 MHz或48 MHz晶振或振蕩器,。
微處理器是系統(tǒng)核心,，其性能直接決定該系統(tǒng)設計的準確性，穩(wěn)定性和可靠性,?；诒鞠到y(tǒng)對精度和實時性的要求。選用ATMEL公司的AT9lSAM7X256單片機,。它具有以下特點：1)內部集成ARM7TDMI ARM Thumb處理器,，支持嵌入式ICE內電路仿真以及調試通信接口：2)復位控制器(RSTC)，基于上電復位單元,，提供外部信號整形和復位源狀態(tài),；3)時鐘發(fā)生器(CKGR),，低功耗RC振蕩器，3～20 MHz片上振蕩器和1個PLL,；4)電源管理控制器(PMC)，具有電源優(yōu)化功能,，包括慢速時鐘模式(低于500 Hz)和空閑模式,，4個可編程外部時鐘信號；5)USB2．0全速(每秒12Mbit)設備接口,，具有片上收發(fā)器,，大小為1 352字節(jié)的可配置成FIF0；6)10／100base-T(Mb／s)的以太網口,；7)提供片上1．8 V穩(wěn)壓器,，
為內核及外部組件提供高達100 mA的電流，3．3 V VDDIO提供I／O線電源,，獨立的3．3 V VDDFLASH提供Flash電源,，具有掉電檢測的1．8 V VDDCORE提供內核電源。
2．2 AT91SAM7X256的USB設備端口設計
AT91SAM7X256的USB設備端口原理圖,，如圖2所示,。由于AT91SAM7X256支持USB2．0全速(每秒12 Mbit)設備接口，故AT91SAM7X256的2個引腳DDM和DDP與外界USB相連,，直接實現(xiàn)USB設備端口,。
由USB接口輸入5 V直流電源，二極管VD1用于限制電源的導通方向,，經過C18,、C19濾波，然后經過SPXll7M-3．3將電源穩(wěn)壓至3．3 V,。為了降低噪聲和出錯率,，應隔離模擬電源與數(shù)字電源，圖3中的L1和L2用于電源隔離元件(將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離),。SPXll7M-3．3是Sipex公司的LDO器件,，其特點為輸出電流大，輸出電壓精度高穩(wěn)定性高,。SPXll7M系列LD0器件輸出電流可達800 mA,，具有電流保護和熱保護功能，可廣泛應用于數(shù)字家電和工業(yè)控制等領域,。
2．3 USB主機端口設計
AT91SAM7X256的USB主機端口原理圖,，如圖3所示。SL811HS／T選用48引腳的TQFP封裝形式,，SL811HS／T既能用作Host模式又能用作Slave模式,。將SL811HS／T的M／S引腳接地,，即設為低電平信號(M／S=0)，選擇作為主機端口,。
SL811HS／T的D0～D7端口為雙向數(shù)據(jù)I／O端口,，與控制器的PAl0～PAl7端口相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,。SL811HS／T的nRD引腳與AT91SAM7X256的PA9相連,，nWR引腳與AT9lSAM7X256的PA8相連，SL811HS／T的nCS引腳與AT91SAM7X256的PA7相連,，AO引腳與AT91SAM7X256的PA6相連,，控制SL811HS／T的讀寫狀態(tài)，如圖4所示,。
訪問存儲器和控制寄存器的空間時,，先設A0=0后寫地址，接下來設A0=1,，再進行寄存器／存儲器讀／寫周期,。當nWR或nCS處于無效時，SL811HS寫或讀操作終止,。對于連接到SL81lHS的設備,，在write nWR信號之前取消片選nCS，數(shù)據(jù)將一直保持并與指定的值相同,。SL811HS／T的nRST引腳與AT91SAM7X256的PAl8相連,，實現(xiàn)軟件低電平復位功能。SL811HS／T的引腳7,、8與USB接口的DATA+,，DATA-相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。S-L811HS／T的Clk／X1引腳和X2引腳與外接12 MHz晶振相連,。
3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
USB設備驅動程序設計包括主機端設備驅動程序,、主機控制器驅動程序和設備端驅動程序3部分組成。主機端設備驅動程序就是設備驅動程序,，它是主機環(huán)境中為用戶應用程序提供一個訪問USB外設的接口,。Linux為這部分驅動程序提供編程接口，設計者只要按照需求編寫驅動程序框架,，通過調用操作系統(tǒng)提供的APl接口函數(shù)可以完成對USB外設的特定訪問,。
3．1 USB設備驅動程序框架
圖5所示Linux中USB驅動的體系結構。Linux USB主機驅動由3部分組成：USB主機控制器驅動,，USB驅動和不同的USB設備類驅動,。USB驅動程序首先要向Linux內核進行注冊自己，并告之系統(tǒng)該驅動程序所支持的設備類型及其所支持的操作,。這些信息通過usb_driver結構傳遞,。
3．2 注冊和注銷
USB驅動程序注冊,，就是把在初始化函數(shù)中填好的use_driver結構作為參數(shù)傳遞給use_register()函數(shù)即可，函數(shù)的調用方法為：result =usb_register(&skel_driver),；當要從系統(tǒng)卸載驅動程序時,，也是將use_driver結構作為參數(shù)傳遞給usb_deregister函數(shù)處理。函數(shù)的調用格式為：
當USB設備插入時,，為了使linux-hotplug系統(tǒng)自動裝載驅動程序,，需要創(chuàng)建一個MODULE_DEVICE_TABLE。核心代碼如下(這個模塊僅支持某一特定設備)：
3．3 probe()函數(shù)
probe()函數(shù)的編寫格式為：static void*skel_probe(struct usb_device*dev,，unsigned int ifnum，const struct usb_device_id* id),；驅動程序需要確認插入的設備是否可以被接收,，如果不接收，或者在初始化的過程中發(fā)生任何錯誤,，probe()函數(shù)返回一個NULL值,。否則返回一個含有設備驅動程序狀態(tài)的指針，通過這個指針,，就可以訪問所有結構中的回調函數(shù),。
在驅動程序里，最后一點是要注冊devfs(設備文件系統(tǒng)),。首先創(chuàng)建一個緩沖用來保存那些被發(fā)送給USB設備的數(shù)據(jù)和那些從設備上接收的數(shù)據(jù),，并為設備傳輸創(chuàng)建一個USB請求塊(URB)以向設備寫入數(shù)據(jù)，同時USB urb被初始化,，然后在devfs子系統(tǒng)中注冊設備,，允許devfs用戶訪問USB的設備。注冊過程如下：
如果devfs_register函數(shù)失敗,，devfs子系統(tǒng)會將此情況報告給用戶,。如果設備從USB總線拔掉，設備指針會調用disconnect函數(shù),。驅動程序就需要清除那些被分配了的所有私有數(shù)據(jù),，關閉urbs，并且從devfs上注銷調自己,。
3．4 open(),，write()和read()函數(shù)
首先，要打開此設備,。在open()函數(shù)中MODULE_INC_USE_COUNT宏是一個關鍵,，它起到一個計數(shù)的作用，有一個用戶態(tài)程序打開一個設備,，計數(shù)器就加1,。read()函數(shù)首先從open()函數(shù)中保存的fi,。write()函數(shù)和read()函數(shù)是完成驅動對讀寫等操作的響應。在skel write中,，一個FLL_BULK_URB函數(shù),，就完成了urb系統(tǒng)callbak和的skel_write_bulk_callback之間的聯(lián)系。read函數(shù)與write函數(shù)稍有不同在于：程序并沒有用urb將數(shù)據(jù)從設備傳送到驅動程序,，而是用usb_bulk_msg函數(shù)代替,，這個函數(shù)能夠不需要創(chuàng)建urbs和操作urb函數(shù)的情況下，來發(fā)送數(shù)據(jù)給設備,，或者從設備來接收數(shù)據(jù),。調用usb_bulk_msg函數(shù)并傳到一個存儲空間，用來緩沖和放置驅動收到的數(shù)據(jù),，若沒有收到數(shù)據(jù)表示失敗并返回一個錯誤信息,。usb_bulk_msg函數(shù)，當對USB設備進行一次讀或者寫時,，usb_bulk_msg函數(shù)是非常有用的,；然而，當需要連續(xù)地對設備進行讀／寫時,，應建立一個自己的urbs,，同時將urbs提交給USB子系統(tǒng)。
MOD_DEC_USE_COUNT宏也會被調用到,，首先確認當前是否有其他的程序正在訪問這個設備,，如果是最后一個用戶在使用，可以關閉任何正在發(fā)生的寫,，操作如下：
USB設備可以在任何時間點從系統(tǒng)中取走,，即使程序目前正在訪問它。USB驅動程序必須要能夠很好地處理解決此問題,，它需要能夠切斷任何當前的讀寫,，同時通知用戶空間程序：USB設備已經被取走。
4 實驗結果
經過大量的試驗,，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，傳輸速度快且具有極低的誤碼率。利用邏輯分析儀和Bus Hound軟件進行相應的邏輯功能分析,，USB主機與設備之間可以正常通信,。因為整個電路主要應用于稱重系統(tǒng)，所以著重測試了控制傳輸和批量傳輸這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式,。批量傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)傳輸速率可以達到1 Mb／s,，這是傳輸帶寬的限制和數(shù)據(jù)包中冗余信息的存在所導致的。總體來講,，1 Mb／s的傳輸速率還是令人滿意的,。
5 結束語
本系統(tǒng)以AT91SAM7X256單片機為核心進行設計，采用SL811HS／T主控器件,，實現(xiàn)了USB主機端口的擴展,，使稱重設備中同時具有USB設備端和主機端口，因此,，該系統(tǒng)設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的點對點通信,，實現(xiàn)稱重設備數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)升級的可靠,、快捷,，適合工礦企業(yè)特殊環(huán)境下設備數(shù)據(jù)的更新，便于對設備的管理和維護,。并在稱重系統(tǒng)中引入USB主機端口具有非常實用的特點,。因此，該系統(tǒng)設計具有很好的應用前景,。