引言

　　USB接口" title="USB接口">USB接口（Universal Serial Bus）是一種通用的高速串行接口,。它最主要的特點(diǎn)是它的高速傳輸特性,。USB1.1理論速度極限可以達(dá)到12Mb/s，USB2.0可達(dá)到 480Mb/s,。這樣,，它可以很好解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)在嵌入式" title="嵌入式">嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間的互傳問題；同時,，它支持熱插拔,，并且最多同時支持127個外設(shè)，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,。

　　本次設(shè)計是在一個已有的DSP" title="DSP">DSP圖像采集嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，為它配接上一個USB1.1的接口，以達(dá)到DSP圖像采集系統(tǒng)高速地將圖像數(shù)據(jù)回傳到PC機(jī)中的目的,。設(shè)計的要求主要有：

　?、僭谠衅脚_提供的接口基礎(chǔ)上，加入一個低成本,、高速度的USB接口,；

　　②通過USB接口,，實現(xiàn)PC機(jī)對DSP圖像采集系統(tǒng)的操作與控制,；

　　③實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在DSP攝像系統(tǒng)與PC機(jī)之間高速的雙向傳輸,。

　　基于以上幾點(diǎn)可以看出,，本方案最主要的特點(diǎn)是成本低廉且傳輸速度高,。

　　1 硬件方案選擇與設(shè)計

　　1.1 方案選擇

　　對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計，經(jīng)過綜合考慮了幾種方案之后決定,，采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBD" title="PDIUSBD">PDIUSBD12（成本非常低,，一片PDIUSBD12的價格僅為20元），再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路,。

　　這種芯片僅僅完成USB底層的數(shù)據(jù)鏈路級交換,，并提供給本地微控制器一個并行的接口，但是它并不完成協(xié)議層的工作,。協(xié)議層的工作需要對微控制器編程,，控制USB接口芯片來實現(xiàn)USB協(xié)議。所以,，開發(fā)難度相對來說大一些,，要做的編程工作也多一點(diǎn)。但是這套方案的成本非常低,，而且由于直接用DSP作為微控制器,，沒有原單片機(jī)的瓶頸限制，所以可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率,。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,。

　　由于PDIUSBD12的并行接口時序較慢，只能達(dá)到2MB/s,。這個速度相對于DSP來說比較低,，而且有些地方不是簡單地在程序中加入延時就可以調(diào)整，所以需要一個時序調(diào)整電路來完成它們之間的配合,。

　　1.2 PDIUSBD12芯片

　　PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一種USB1.1接口芯片,。它可以工作在5V或者3.3V的工作電壓下；具有8位數(shù)據(jù)總線,，且有完全自治的DMA傳輸操作,。它還具有可控制的軟件連接（SoftConnect）功能，可以保證在微控制器可靠完成初始化之后再連接上USB總線,。另外,，它還有一個LED驅(qū)動腳,，可以外接LED來監(jiān)測USB的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程,。當(dāng)USB接口枚舉完成，并且成功配置以后,，LED將會一直點(diǎn)亮,；而在枚舉過程以及USB數(shù)據(jù)通信過程中，LED只是有節(jié)奏地閃爍,。

　　PDIUSBD12只占用微控制器的兩個地址資源,。也就是說,，它只有一根地址線。其中一個地址用來向芯片中寫命令,，另外一個地址用來向燕片中寫數(shù)據(jù)或者從芯片中讀取數(shù)據(jù),。

　　PDIUSBD12一共有三組端點(diǎn)：端點(diǎn)0完成控制傳輸；端點(diǎn)1可以配置成中斷傳輸,；端點(diǎn)2是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn),。它有64B的緩沖區(qū)，如果加上它的雙緩沖機(jī)制,，就有128B的緩沖區(qū),；它可以配置成批量傳輸模式，或者同步傳輸模式,。

　　總的來說,，PDIUSBD12是一款性能優(yōu)異，價格相對軟低的USB接口芯片,。

　　1.3 時序芯片

　　為了降低成本,、簡化電路，本方案不使用DMA傳輸方式,，而以TI公司的TMS320C2XX" title="TMS320C2XX">TMS320C2XX作為微控制器（使用20MHz晶振）,。它的并口速度非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s,。此處是硬件設(shè)計最關(guān)鍵的地方,。

　　經(jīng)過詳細(xì)的時序分析發(fā)現(xiàn)，大部分問題可以通過在DSP固件設(shè)計的加入延時,，或者設(shè)置DSP的WSGR寄存器來解決,。但是有一個問題，必須在硬件上加以解決,。圖2是DSP（TMS320C2XX）的寫時序,。

　　圖2中，參數(shù)th(W-D)是指在WE信號變高（無效）以后,，所寫的數(shù)據(jù)將仍然保持有效的時間,。這個值最小為3ns，最大為14ns,，所以所寫的數(shù)據(jù)在WE信號無效以后還會維持有效,，大約3～14ns（實際的延時介于這兩個值之間）。

　　圖3是PDIUSBD12所要求的寫時序,。圖中,，參量tWDH是與DSP （TMS320C2XX）參量th(W-D)相對應(yīng)的另外一個參量。這個參量反映了PDIUSBD12要求微控制器在向其中寫數(shù)據(jù)時,，所寫的數(shù)據(jù)在WR信號無效之后,，要繼續(xù)保持有效的時間,。這個參量最小值為10ns。也就是說,，PDIUSBD12要求所寫的數(shù)據(jù)最少要保持有效10ns（在WR無效之后）,。

　　由此可以看出，DSP（TMS320C2XX）的寫時序不能可靠地保證滿足 PDIUSBD12的要求,，而且這個問題無法通過軟件加延時的方法來解決,，必須通過硬件來處理。經(jīng)過分析對比,，最后決定采用一個很簡單但是后來事實證明非常有效的方法來調(diào)整它們之間的時序,。那就是在DSP（TMS320C2XX）與PDIUSBD12的總線之間加一個雙向緩沖器-74LS245。這個芯片可以在它們的時序之間引入一個延時,。雖然這個延時并不可靠,、但是由于DSP（TMS320C2XX）本身會在WR無效后，繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)有效一段時間（前面已講過）,，這要僅僅需要將延時適當(dāng)延長一點(diǎn)就可以了,。74LS245所造成的延時典型值為15ns，最小也為8ns,。這樣,，加上原來DSP寫時序的延時，就可以滿足PDIUSBD12所要求的寫時序了,。

　　另外由于加入74LS245所造成的對其它接口時序的影響,，可以通過設(shè)置DSP（TMS320C2XX）的WSGR寄存器來消除，所以這個方案是可行的,。（事實上,，后來制造好的電路也證明了這個方案是完全可行的）

　　對其余時序上的配合，經(jīng)過仔細(xì)的計算與核對證明,，也是完全可行的,。在硬件上，哂方案還采用了一片GAL（16V8）來實現(xiàn)對PDIUSBD12芯片的片選,，以及實現(xiàn)對它的軟件和手動復(fù)位,。硬件總體框圖如圖4所示。

　　2 軟件設(shè)計

　　2.1 固件設(shè)計

　　由于采用的是不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片,，所以關(guān)于USB1.1協(xié)議規(guī)范的實現(xiàn)都必須靠DSP（TMS320C2XX）控制PDIUSBD12芯片來完成,。固件的主要設(shè)計任務(wù)是：在DSP（TMS320C2XX）的平臺上編寫程序，以完成 USB1.1規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求,。

　　為了不影響程序的執(zhí)行效率,，本方案采用中斷方式完成固件的編寫；同時,，為了保證程序的模塊化及良好的可移植性,，在設(shè)計中采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行固件的編寫，如圖5所示,。

　　最下層是硬件接口層,，完成硬件上PDIUSBD12與DSP（TMS320C2XX）的對接。主要是DSP（TMS320C2XX）向PDIUSBD12中寫入數(shù)據(jù)或者命令,，以及從中讀取數(shù)據(jù),。

　　中間層主要有兩個模塊，用來完成PDIUSBD12的命令接口和中斷處理子程序,。命令接口是指按照PDIUSBD12的命令格式,，完成DSP對它的控制。它的基本命令格式是：DSP先向其中的命令地址寫入某一條命令,，接著從它的數(shù)據(jù)地址寫入或者讀出一系列的數(shù)據(jù),。中斷處理子程序是判斷中斷的產(chǎn)生源，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理子程序,。這些子程序不做過多的處理,，而僅僅是將命令數(shù)據(jù)讀出然后置標(biāo)志位，或者是將某些數(shù)據(jù)送出,。

　　最上層是主循環(huán)程序,，以及對于USB1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議請求（這些請求主要是在USB1.1協(xié)議規(guī)范的第九章中定義的）和用戶自定義請求的處理程序。主循環(huán)的主要工作是檢查標(biāo)志位,。如果標(biāo)志位被置位,，則調(diào)用處理子程序，判斷是標(biāo)準(zhǔn)請求還是用戶自定義請求,，然后調(diào)用相應(yīng)的處理程序加以處理,，完成請求。

　　這樣分層的好處是：主循環(huán)程序在檢查標(biāo)志位以外的時間可以進(jìn)行其它工作,，提高固件的運(yùn)行效率,。

　　編程過程中，由于涉及了一些嚴(yán)格的接口時序配合問題,，所以,，整個固件的編寫工作全部采用DSP（TMS320C2XX）的匯編語言；用的是CC2000編程開發(fā)工具,。

　　2.2 PC機(jī)軟件的設(shè)計

　　PC機(jī)的驅(qū)動程序由Philips公司提供,。然后，用VC++6.0,，通過調(diào)用API函數(shù),，編寫PC的應(yīng)用程序。這樣即可實現(xiàn)PC機(jī)對DSP(TMS320C2XX）攝像系統(tǒng)的攝像控制以及圖像的傳輸,。

　　主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl（）,、ReadFile（）,、 WriteFile（）。其中DeviceIOControl（）用于PC（主機(jī)）向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求,；ReadFile（）和 WriteFile（）分別用于從圖像采集系統(tǒng)中讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)中寫入數(shù)據(jù),。

　　在設(shè)計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主-從方式的接口，它的一切傳輸過程都必須通過主機(jī)向外設(shè)發(fā)送請求后才可以開始,，所以在使用ReadFile（）,、WriteFile（）讀寫數(shù)據(jù)之前，必須先通過 DeviceIOControl（）向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求,。

　　3 結(jié)果及分析

　　設(shè)計方案完成后,，在最后的測試當(dāng)中，通過USB1.1接口,，PC機(jī)與DSP系統(tǒng)的通信速率最高達(dá)到了580KB/s（4.6Mb/s）以上,。這個速率指的是有效數(shù)據(jù)傳輸速率，不包括數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)絡(luò)的頭信息部分,，所以這個速率還是比較令人滿意的?，F(xiàn)在，傳輸一張幅面為352×288像素的黑白圖片（大小為99KB）,，耗時不到1s,。如果實現(xiàn)動態(tài)的拍攝及顯示，那么,，整個系統(tǒng)每秒可以拍攝并完成顯示 3～4幅不經(jīng)壓縮的幅畫為352×288像素大小的黑白圖片,。

　　測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠（已將程序燒寫進(jìn)片內(nèi)Flash中）,，各項性能指標(biāo)都已達(dá)到了最初的設(shè)計要求,，能夠很好地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在PC機(jī)與DSP之間高速的雙向傳輸。并且,，這套USB接口方案只采用了1片PDIUSBD12接口芯片和1片 74LS245,，器件成本只有20元左右，這個成本是比較低的,。同時,，由于采用了DSP作為控制器，所以它的通信速率可以很高,；因此,，可以說本方案達(dá)到了低成本，高速率的USB1.1接口設(shè)計要求,。