一種SPI芯片的USB控制器接口設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 一種SPI芯片的USB控制器接口設(shè)計(jì) MAX3420是Maxim公司近年來新推出的一款USB外設(shè)。該器件采用SPI接口方式，相對于傳統(tǒng)的并行接口方式，大大減少了芯片引腳，且其工作速率仍可到達(dá)26 MHz。本文介紹了使用MAX3420作為USB控制器，并通過SPI接口開展數(shù)據(jù)換。 1 MAX3420簡介 MAX3420是Maxim公司推出的一款全速USB外設(shè)，包括必要的數(shù)字邏輯和模擬電路，支持USB2.O協(xié)議。MAX3420內(nèi)建全速收發(fā)器，支持15kV的ESD保護(hù)，可以編程控制USB總線的連接和斷開；內(nèi)含的串行接口引擎可以控制底層的USB協(xié)議細(xì)節(jié)，如錯(cuò)誤校驗(yàn)和總線

2、重連接。MAX3420通過SPI接口操作其內(nèi)部存放器，工作頻率為26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用34根線便可增加USB功能。 2 MAX3420的外圍電路 作為一款全速USB外設(shè)，MAX3420的外圍電路并不復(fù)雜，如圖1所示，圖中采用USB自身供電方式，右上角的3.3V穩(wěn)壓器表示產(chǎn)生3.3 V電壓、為CPU供電的電壓轉(zhuǎn)換芯片，常用的有AS2830、LMlll7等。與CPU連接的引腳共有6個(gè)，其名稱和功能如下表l所列芯片的供電電壓為04 V，可以采用3.3 V供電；采用12 MHz晶振，內(nèi)部鎖相環(huán)開展4倍頻；還提供了4個(gè)通用輸出口和4個(gè)通用輸入口，便于CPU的IO口擴(kuò)展。 帶有S

3、PI接口的CPU，與MAX3420的接口十分方便；如果不帶SPI接口，則也可用IO口來實(shí)現(xiàn)SPI的功能。圖2為CPU與MAX3420的接口原理圖。 3 MAX3420的工作方式 全雙工即Full duplex Communication，是指在通信的任意時(shí)刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式無需開展方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，這對那些不能有時(shí)間延誤的交互式應(yīng)用（例如遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時(shí)，需要2根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信

4、號。 MAX3420的SPI接口可工作于以下兩種工作方式：全雙工方式（MOSI輸入MISO輸出）和半雙工方式（MOSI輸入輸出）。 3.1 全雙工方式 全雙工方式下的讀操作： SS為高，MAX3420未選中，MISO為高阻態(tài)。 當(dāng)SCLK為靜止態(tài)時(shí)，SS了，低，MAX3420選中；打開MISO輸出緩沖，將要發(fā)送數(shù)據(jù)的位送到MISO輸出。 SPI主方式下，首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令由MOSI發(fā)送；MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態(tài)位。 8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作，MISO輸出高阻態(tài)。在SCLK下降沿，下一個(gè)輸出數(shù)據(jù)的位在MISO順序輸出。 全雙工方式下的寫操作： SPI

5、主方式下設(shè)置時(shí)鐘為靜止態(tài)，SS為高。 SS為低，將要寫的數(shù)據(jù)的位放到MOSI輸入。 SPI主方式下。首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令由MOSI發(fā)送；MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態(tài)位。 8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作。 全雙工方式下的讀寫時(shí)序圖如圖3所示。 3.2 半雙工方式 半雙工（Half Duplex）數(shù)據(jù)傳輸指數(shù)據(jù)可以在一個(gè)信號載體的兩個(gè)方向上傳輸，但是不能同時(shí)傳輸。例如，在一個(gè)局域網(wǎng)上使用具有半雙工傳輸?shù)募夹g(shù)，一個(gè)工作站可以在線上發(fā)送數(shù)據(jù)，然后立即在線上接收數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)剛剛傳輸?shù)姆较颉Ｏ袢p工傳輸一樣，半雙工包含一個(gè)雙向線路（線路可以在兩個(gè)方向上傳遞數(shù)據(jù)）

6、。 半雙工方式下MISO為高阻態(tài)，MOSI為雙向。由于只有一根線，因此半雙工方式下USB狀態(tài)位不再有效。半雙工方式下的讀/寫操作： SS為高，MAX3420未選中，MOSI可以為任意值。 當(dāng)SCLK為靜止態(tài)時(shí)，SS為低，MAX3420選中；將要寫的數(shù)據(jù)的位送到MOSI輸入。 SPI主控制器打開輸出驅(qū)動(dòng)，首先的8個(gè)時(shí)鐘脈沖將命令在SCLK上升沿由MOSI發(fā)送；8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，SS為高。 如果要寫SPI數(shù)據(jù)，則SPI主控制器保持打開輸出驅(qū)動(dòng)，在SCLK脈沖下，順序?qū)?shù)據(jù)位送到MOSI引腳；如果要讀SPI數(shù)據(jù)，則在8個(gè)時(shí)鐘脈沖后，SPI主控制器關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)，開始從MOSI按時(shí)鐘脈沖讀入數(shù)據(jù)。 SS為

7、高。MAX3420停止工作。 半雙工方式下的讀/寫時(shí)序圖如圖4所示。 4 USB程序流程 MAX3420共有4個(gè)端點(diǎn)，即EP0EP3。如圖5所示，USB2.0協(xié)議由硬件接入層、中間層及上層應(yīng)用3部分構(gòu)成。其中：硬件接入層是與CPU嚴(yán)密聯(lián)系的，其他兩層是與硬件無關(guān)的。硬件接入層主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)函數(shù)outport（）和inport（）。這兩個(gè)函數(shù)是整個(gè)USB協(xié)議在硬件上運(yùn)行的根底，只要在硬件接入層針對不同的CPU和MAX3420實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)函數(shù)，便可以保證USB接口的正常工作。 本文以PICl8F2520和MAX3420為例，在全雙工方式下說明以上兩個(gè)函數(shù)的示意性代碼。 void outport（u

8、nsigned char port，unsigned char value） 使能CPU的SPI模式； 設(shè)置CUP的SPI為主共和方式，MAX3420的SPI為從工作方式； 使能CPU的SPI模式； 設(shè)置CPU的SPI為主工作方式，MAX3420的SPI為從工作方式； USB2.0協(xié)議規(guī)定USB接口工作于被開工作方式，協(xié)議中間層主要包括總線重連接、EP0收發(fā)和中斷處理等幾部分，其工作流程如圖6所示。協(xié)議上層應(yīng)用程序由程序員按照規(guī)范根據(jù)具體需要編寫。 USB傳輸只能由HOST發(fā)起，HOST需要向Device發(fā)送一個(gè)OUT令牌包。在這個(gè)包里指定了承受數(shù)據(jù)的設(shè)備地址、端點(diǎn)。然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到USB總線上。不是目的接收器件的USB設(shè)備不會響應(yīng)該數(shù)據(jù)包，目的接收設(shè)備如果能接收該數(shù)據(jù)包，則以ACK握手包響應(yīng)，如果不能接收該數(shù)據(jù)包，則