基于ATmega128和CH374的USB接口设计

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。
   
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。
   
   
   
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。
   
   
   
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。
   
   
   
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。