《电子技术应用》

基于ATmega128和CH374的USB接口设计

摘要: 针对嵌入式MCU的USB接口需求,提出了以ATmega128为微处理器,采用USB控制器CH374,用SPI串口方式设计了一款USB接口,以解决嵌入式MCU与PC机进行通讯问题。文中介绍了该接口的硬件电路和软件设计方法,充分利用南京沁恒公司提供的资源,大大降低了软件设计的难度,提高了工作效率。在1KW碟式斯特林太阳能热发电装置中得到了应用,实践证明,该USB接口工作稳定、可靠,成本较低,取得了良好的应用效果。

Abstract:

    随着嵌入式系统的发展,嵌入式MCU需要增加USB接口,以便实现与PC机等USB主机系统的通信。针对这样的需求,解决方案比较多,均有一个共同点,都采用PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片,该芯片为并行总线接口,占用过多的MCU端口资源,且与MCU的软件接口编写复杂,同时芯片价格也不便宜。为此,采用南京沁恒电子有限公司的USB芯片CH374设计了一款USB接口,以解决嵌入式MCU与PC机通信问题。CH374不仅价格有优势,该公司还提供了完善的USB驱动程序,且在芯片内部集成了数据缓冲区、被动并行接口、串行接口、命令解释器、通用的固件程序等,这样,以CH374设计的USB设备,不需要详细了解USB通讯协议,开发编程非常方便。

1 系统硬件设计

1.1 系统原理

    该系统以ATmega128单片机和CH374接口芯片为核心。ATmega128单片机是基于AVR RISC结构8位低功耗CMOS微处理器,内部带有128 Kb的系统内可编程FLASH程序存储器;4 Kb的EEPROM;4 Kb的SRAM;串行外围设备接口(SPI);有53个可编程的通用I/O脚,32个通用工作寄存器;有4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C);自带8通道10位ADC,可选的可编程增益;片内振荡器的可编程看门狗定时器:与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口,可以用于片上调试;6种可以通过软件选择的省电模式,采用64引脚TQFP与MLF封装;峰值运算速度达16 MIPS,非常适合应用在嵌入式系统中。

    USB器件采用CH374.该芯片支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式,内置3端口HUB根集线器,支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步/等时传输。CH374具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便地挂接到单片机/DSP /MCU/MPU等控制器的系统总线上。在计算机系统中,CH374的配套软件提供了简洁易用的操作接口,与本地端的单片机通信就如同读写文件,降低了开发难度,除此之外,CH374还提供了节约I/O引脚的SPI串行通讯方式,通过SPI串行接口以及中断输出与单片机/DSP/MCU/ MPU等相连接。系统原理图如图1所示。

系统原理图
图1 系统原理图

 

1.2 硬件电路

    CH374通过SPI串行接口以及中断输出与单片机连接,以便节约单片机的I/O引脚。CH374芯片的RD#引脚和WD#为低电平(接地)且CS#引脚为高电平(接正电源),则CH374将工作于SPI串口方式。在SPI串口方式下,CH374只需要与ATmega128单片机连接5个信号线:SCS#引脚、SCK引脚、SDI引脚、SDO引脚以及INT#引脚,其它引脚都可以悬空。电路示意图如图2所示。

 

 

硬件电路示意图
图2 硬件电路示意图

 

ATmega128单片机配置为SPI主机时,SPI接口不自动控制PBO(SS#)引脚,必须由用户软件在通信开始前进行处理。对SPI数据寄存器写入数据即启动SPI时钟,将8比特的数据移入CH374芯片。CH374的SPI接口支持SPI模式0和SPI模式3,CH374总是从SPI时钟SCK的上升沿输入数据,并在允许输出时从SCK的下降沿输出数据,数据位顺序是高位在前,计满8位为一个字节。SPI的操作步骤如下:

 

1)ATmega128产生CH374芯片的SPI片选,低电平有效;

 

2)ATmega128按SPI输出方式发出一个字节的地址码,用于指定其后读写操作的起始地址;

 

3)ATmega128发出一个字节的命令码指明操作方向,读操作命令码是COH,写操作命令码是80H;

 

4)如果是写操作,ATmega128发出一个字节的待写数据,CH374收到并保存到指定地址后地址自动加1,ATmega128继续发出若干个字节的待写数据,CH374依次处理,直到ATmega128禁止SPI片选;

 

5)如果是读操作,CH374从指定地址读出一个字节数据并输出后地址自动加1,ATmega128收到数据并保存,CH374继续从下一个地址读出数据并输出,直到ATmega128禁止SPI片选;

 

6)ATmega128禁止CH374芯片的SPI片选,以结束当前SPI操作。

 

 

 

2 系统软件设计

 

软件开发采用ATMEL公司的AVR STUDIO 3.53集成开发环境,包括:AVR ASSEMBLER编译器、AVR STUDIO调试功能、AVR PROG串行、并行下载功能、JTAG ICE仿真功能,本设计采用的是JTAG ICE仿真调试。软件设计主要包括固件程序设计、应用程序设计和驱动程序设计3个部分。

 

2.1 固件程序设计

 

CH374内置了USB通信中的底层协议,因此单片机程序非常简洁。在外置固件模式下,在完成CH374的初始化工作后,由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求,从而完成USB总线连接过程。初始化CH374主要完成USB设备的枚举,CH374初始化程序的程序如下:

 

void CH374_PORT_INIT() /*进行初始化*/

 

{ unsigned char i;

 

PORTB |=0x03;/*禁止SPI片选,设置SCS#默认为高电平*/

 

DDRB |=0x07;/*设置SCS#,SCK,SDI为输出*/

 

DDRB&=0x08;/*SDO输入*/

 

SPCR=0x5C;/*设置SPI模式3*/

 

CH374_DAT_PORT=1;/*设置为使用外置固件的USB设备方式*//*下述启用中断,CH374连接在INT0*/

 

IT0=0;/*置外部信号为低电平触发*/

 

IE0=0;/*清中断标志*/

 

EX0=1;/*允许CH374中断*/

 

}

 

2.2 应用程序设计

 

CH374在计算机端提供了应用层接口,应用程序的设计可根据用户的需求进行适当调整。应用层接口是由CH374动态链接库DLL提供的面向功能应用的API,包括设备管理API、数据传输API和中断处理API。

 

设备管理API主要包括:1)打开、关闭设备;2)获取USB设备,配置描述符;3)复位USB设备。

 

数据传输API主要包括:1)读取数据块;2)写出数据块。

 

中断处理API主要包括:1)读取中断数据;2)设定中断服务程序。

 

使用这些API函数,可以很容易地开发出与硬件电路相配套的应用软件,CH374与计算机连接的上位机总体程序流程图如图3所示。

 

 

上位机总体程序流程图
图3 上位机总体程序流程图

 

2.3 USB驱动程序设计

 

USB驱动程序可以采用WDM(Windows Driver Mode)模式设计。WDM驱动程序采用灵活的分层驱动方法,在用户和物理设备之间存在着几个不同的驱动程序层次,且各层上的WDM驱动程序具有不同优先级。利用WDM设计的驱动程序可根据用户的需要调整,灵活性好,但需要了解操作系统原理及相关硬件工作细节,而且工作量较大。所以,USB驱动程序设计采用CH374芯片厂家提供的通用驱动程序,直接下载后安装即可,大大降低了开发的难度。

 

3 应用结果

 

文中所设计的USB接口在1kW碟式斯特林太阳能热发电装置中得到了应用,实现对太阳高度角和方位角的跟踪,系统结构如图4所示。该发电装置对太阳的跟踪采用视日运动轨迹法,所需要的太阳赤纬度角δ、纬度角δ和时角δ由计算机通过USB接口芯片CH374写入ATmega128单片机,然后单片机通过一套计算公式计算出太阳的位置,即实际时刻太阳所在高度角和方位角,输出一定的脉冲数,驱动伺服电机转动,使发电装置转到要求的位置,实现对太阳的跟踪。同时,通过CH374把整个发电装置的状态数据发给计算机,在计算机显示,以便实现人机对话,为今后在25 kW碟式斯特林太阳能热发电系统的研制打下基础。实践证明,该USB接口工作稳定、可靠,成本较低,完全能够满足碟式斯特林太阳能热发电装置的控制指标要求,取得了良好的应用效果。

 

 

1kW碟式斯特林太阳跟踪系统结构图
图4 1kW碟式斯特林太阳跟踪系统结构图

 

4 结束语

 

以ATmega128和CH374为核心,通过SPI串口通讯方式设计了一款USB接口,系统硬件简单,不需要编写复杂的USB驱动程序,利用其动态链接库即可实现USB与PC的通信,研发简单,易于实现。该设计在实际项目中投入了使用,效果良好,具有一定的设计参考价值。

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