基于Blackfin 533 SPORTs口的USB主從接口設(shè)計(jì)

孫 昊，吳子賢，王加加

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

1 設(shè)計(jì)原理

模塊主要實(shí)現(xiàn)DSP與計(jì)算機(jī)的通信及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)?；贒SP的USB主從雙向通信設(shè)計(jì)方案，通過ADSP BF533 SPORTs模擬 SPI口，完成 ADSP與CH376的通信，實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)、DSP與U盤的雙向通信以及兩種方式的自由切換，圖1為系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 芯片介紹

2.1 CH376芯片

CH376［1］是南京沁恒公司生產(chǎn)的一種文件管理控制芯片。CH376支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式，且內(nèi)置了USB通訊協(xié)議的基本固件、處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議固件、SD卡的通訊接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備和SD卡。

CH376支持3種通訊接口:8位并口、SPI接口或異步串口。單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器可通過上述通訊接口控制CH376芯片，存取U盤和SD卡中的文件或與計(jì)算機(jī)通訊。

2.2 ADSP-BF533芯片

ADSP-BF533［2-3］處理器是 Blackfin 系列產(chǎn)品之一，是為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和低功耗條件而設(shè)計(jì)的新型16位嵌入式處理器。其基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)(MicroSignalArchitecture，MSA)，將一個(gè) 32 位 RISC 型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性相組合。ADSP-BF533處理器具有豐富的外設(shè)資源，包括一個(gè)UART口、一個(gè)SPI口、兩個(gè)串行口(SPORTs)和PF口等。

Blackfin533有兩個(gè)相同的同步串口SPORT0和SP0RT1。這兩個(gè)串口支持各種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。圖2是SPORT的簡(jiǎn)化框圖。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，從內(nèi)部寄存器寫入SPORT的存儲(chǔ)器映射寄存器SPORTx_TX中。根據(jù)選擇，此數(shù)據(jù)可由硬件進(jìn)行壓擴(kuò)后自動(dòng)傳送至移位寄存器，也可不執(zhí)行硬件壓擴(kuò)。移位寄存器的位從SPORT的DT引腳移出，最高位或最低位在前均可，并與TCLK引腳的時(shí)鐘同步。SPORT的接收部分從DR接收數(shù)據(jù)，并與串行時(shí)鐘同步。接收一個(gè)完整字后，數(shù)據(jù)展開的同時(shí)自動(dòng)傳送到SPORT的存儲(chǔ)器映射寄存器SPORTx_TX中，該寄存器可被處理器訪問。

圖2 SPORT接口簡(jiǎn)化框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

CH376總是從SPI時(shí)鐘SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，而允許輸出是從SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位順序是高位在前，記滿8位1 Byte。DSP按SPI輸出方式發(fā)出1 Byte數(shù)據(jù)，CH376將SPI片選SCS有效后收到的首個(gè)字節(jié)當(dāng)作命令碼，后續(xù)字節(jié)當(dāng)做數(shù)據(jù)。寫操作時(shí)，DSP向CH376發(fā)出1 Byte的待寫數(shù)據(jù)，等待SPI接口空閑后，DSP繼續(xù)發(fā)出若干個(gè)字節(jié)的待寫數(shù)據(jù)，CH376依次接受，直到DSP禁止SPI片選;讀操作時(shí)，DSP從CH376接收1 Byte數(shù)據(jù)，等待SPI接口空閑后，DSP繼續(xù)從CH376接收若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，直到DSP禁止SPI片選。圖3是SPI接口的邏輯時(shí)序圖，前一個(gè)發(fā)出命令12H并寫入數(shù)據(jù)34H，后一個(gè)是發(fā)出命令28H并讀出數(shù)據(jù)78H。

圖3 SPI接口邏輯時(shí)序圖

為實(shí)現(xiàn)DSP的USB主從雙向通信設(shè)計(jì)方案［4］，現(xiàn)將DSP的SPORTs接口模擬SPI接口并與支持SPI接口通信模式的設(shè)備進(jìn)行通信。主模式下SPI接口需要4個(gè)信號(hào):數(shù)據(jù)輸入(MISO)，數(shù)據(jù)輸出(MOSI)，時(shí)鐘(SCK)和片選(/SPISS)。這4個(gè)信號(hào)其中有3個(gè)和SPORTs接口相對(duì)應(yīng):(1)MOSI對(duì)應(yīng)SPORTs口的傳輸引腳(DTxPRI)。(2)MISO對(duì)應(yīng)SPORTs口的接受引腳(DRxPRI)。(3)SCK對(duì)應(yīng)SPORTs口的時(shí)鐘引腳(TSCLKx/RSCLKx)。

SPI接口中未與SPORTs接口對(duì)應(yīng)的引腳信號(hào)就是片選信號(hào)。片選信號(hào)(/SPISS)在SPI接口中用作時(shí)鐘SCK的選通。作為一個(gè) SPI從設(shè)備，只有片選/SPISS被拉低，響應(yīng)才在時(shí)鐘信號(hào)SCK的邊沿發(fā)生，一旦設(shè)備被使能通信開始，SPORTs主接口就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的時(shí)鐘。要將SPORTs口模擬SPI口，正確的時(shí)序和片選/SPISS信號(hào)是重點(diǎn)。TFS被配置成低時(shí)，同一周期內(nèi)數(shù)據(jù)被放置在SPORTs的發(fā)送引腳DTxPRI上，且在數(shù)據(jù)的傳輸過程中TFS信號(hào)始終被拉低，直到新的數(shù)據(jù)開始傳輸，這恰好與SPI接口的/SPISS信號(hào)一致。反之作為從模式下，也一樣。因此用SPORTs接口的同步時(shí)序信號(hào)模擬/SPISS片選信號(hào)即可滿足要求。硬件連接如圖4所示。

圖4 SPORT/SPI硬件連接

系統(tǒng)硬件電路如圖5所示，系統(tǒng)將CH376配置為串行通信方式，使用SPORT1口，DSP主模式時(shí)，數(shù)據(jù)流通過Blackfin533的SPORT1口，經(jīng)上述配置方式模擬SPI通信方式與CH376模塊SPI口進(jìn)行通信，在經(jīng)過外部USB端口時(shí)CH376以USB-HOST的方式來訪問U盤，反之，DSP從模式時(shí)，PC機(jī)通過USB端口，CH376以USB-SLAVE的方式與Blackfin533進(jìn)行通信。

圖5 硬件原理圖

CH376芯片的SCS引腳由DSP的SPORT口幀同步引腳TFS和RFS驅(qū)動(dòng)，SCK由DSP得SPORT發(fā)送和接受時(shí)鐘輸出引腳TSCLK和RSCLK驅(qū)動(dòng)，SDI引腳由DSP得SPORT數(shù)據(jù)輸出引腳DTxPRI驅(qū)動(dòng)，SDO引腳則連接到DSP的SPORT數(shù)據(jù)輸入引腳DRxPRI。

CH376芯片的配置，電容C2用于內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦從而降低USB傳輸過程中的EMI，晶體X1是振蕩電路，用于向CH376提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，P1是USB端口，電阻R1用于限制輸出給外部USB設(shè)備的電流，C1主要用于減少在USB設(shè)備剛插入時(shí)的電源電壓紋波。關(guān)于Blackfin533的外圍電路配置可參考ADI官方設(shè)計(jì)手冊(cè)［2］。

4 軟件設(shè)計(jì)

CH376S對(duì)U盤的讀寫分為扇區(qū)模式和字節(jié)模式兩種。扇區(qū)模式以扇區(qū)為單位，對(duì)U盤文件進(jìn)行讀寫，其讀寫速度快，但通常需要額外的緩沖區(qū)。字節(jié)模式以字節(jié)為單位對(duì)U盤文件進(jìn)行讀寫，讀寫速度慢，通常用作小數(shù)據(jù)量的讀寫，但使用較為方便。

系統(tǒng)軟件流程如圖6所示，DSP判斷用戶選擇寫U盤操作或上位機(jī)操作。當(dāng)選擇讀取U盤操作時(shí)，首先初始化CH376芯片，通過循環(huán)不斷檢測(cè)U盤是否連接就緒，U盤就緒后，創(chuàng)建文件名，并將數(shù)據(jù)寫入文件，同時(shí)關(guān)閉文件，進(jìn)入到開始。當(dāng)選擇上位機(jī)操作，通過USB數(shù)據(jù)線，將系統(tǒng)連入PC機(jī)，首先初始化CH376芯片，DSP判斷上位機(jī)軟件是否發(fā)出操作命令，若發(fā)出的是命令控制字，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，并繼續(xù)判斷上位機(jī)是否發(fā)出命令字;若發(fā)出的命令是交出控制權(quán)，則系統(tǒng)恢復(fù)本地控制，并進(jìn)入到開始。

圖6 軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試主要分為U盤測(cè)試和上位機(jī)測(cè)試。

U盤測(cè)試:

選擇USB主接口模式，測(cè)試工具為普通4 GB U盤，經(jīng)測(cè)試，成功創(chuàng)建TEST01、TEST02、TSET03共3個(gè)文檔，并成功寫入待寫入數(shù)據(jù)。上位機(jī)測(cè)試:

選擇USB從接口模式，測(cè)試工具為 USB設(shè)備CH372或CH375調(diào)試工具，由于在上位機(jī)程序中定義#define uREAD_DATA 0x80，所以在調(diào)試工具中，設(shè)置端口下傳數(shù)據(jù)為接收數(shù)據(jù)命令即80。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在端點(diǎn)上傳中成功接收0～3F，共64個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 USB設(shè)備CH372或CH375調(diào)試工具接收數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩方面對(duì)基于ADSP-Blackfin533 SPORTs口的USB主從接口設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，其具有傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便及傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)合。

［1］Nanjing QinHeng Electronics Co.，Ltd.CH376EVT［M］.Nanjing:Nanjing Qinheng Electronics Co.，Ltd.，2010.

［2］Analog Devices，Inc.ADSP-BF533 Blackfin ? processor hardware reference［M］.USA:Analog Devices，Inc.，2009.

［3］馮小平，羅勇江，羅明.ADSP技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］Analog Devices，Inc.Using the Blackfin ? processor SPORT to emulate a SPI interface［M］.USA:Analog Devices，Inc.，2009.