基于Blackfin 533 SPORTs口的USB主從接口設計

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摘要采用SPI接口協(xié)議實(shí)現了SPORTs口與CH376的通信。描述了一種基于USB主從接口芯片CH376與Blackfin533的通信設計方案，包括SPORTs口的接口配置、USB模塊的硬件設計、驅動(dòng)程序、CH376芯片的驅動(dòng)程序等。實(shí)現了DSP對USB存儲設備的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，以及計算機與DSP的通信，實(shí)驗表明，整個(gè)設計可實(shí)現對U盤(pán)的快速讀寫(xiě)，并方便與PC機進(jìn)行通信。
關(guān)鍵詞SPORTs；SPI；CH376；USB
1 設計原理
模塊主要實(shí)現DSP與計算機的通信及數據的存儲�；�于DSP的USB主從雙向通信設計方案，通過(guò)ADSP BF533 SPORTs模擬SPI口，完成ADSP與CH376的通信，實(shí)現DSP與PC機、DSP與U盤(pán)的雙向通信以及兩種方式的自由切換，圖1為系統總體框圖。


2 芯片介紹
2．1 CH376芯片
CH376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設備方式和USB主機方式，且內置了USB通訊協(xié)議的基本固件、處理Mass—Storage海量存儲設備的專(zhuān)用通訊協(xié)議固件、SD卡的通訊接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統的管理固件，支持常用的USB存儲設備和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／DSP／MCU／MPU等控制器可通過(guò)上述通訊接口控制CH376芯片，存取U盤(pán)和SD卡中的文件或與計算機通訊。
2．2 ADSP—BF533芯片
ADSP—BF533處理器是Blackfin系列產(chǎn)品之一，是為滿(mǎn)足嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和低功耗條件而設計的新型16位嵌入式處理器。其基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號架構(MicroSignalArchitecture，MSA)，將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號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SPORT1。這兩個(gè)串口支持各種串行數據通信協(xié)議。圖2是SPORT的簡(jiǎn)化框圖。將要發(fā)送的數據，從內部寄存器寫(xiě)入SPORT、的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。根據選擇，此數據可由硬件進(jìn)行壓擴后自動(dòng)傳送至移位寄存器，也可不執行硬件壓擴。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接收數據，并與串行時(shí)鐘同步。接收一個(gè)完整字后，數據展開(kāi)的同時(shí)自動(dòng)傳送到SPORT的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中，該寄存器可被處理器訪(fǎng)問(wèn)。
3 硬件設計
CH376總是從SPI時(shí)鐘SCK的上升沿輸入數據，而允許輸出是從SCK的下降沿輸出數據，數據位順序是高位在前，記滿(mǎn)8位1Byte。DSP按SPI輸出方式發(fā)出1 Byte數據，CH376將SPI片選SCS有效后收到的首個(gè)字節當作命令碼，后續字節當做數據。寫(xiě)操作時(shí)，DSP向CH376發(fā)出1 Byte的待寫(xiě)數據，等待SPI接口空閑后，DSP繼續發(fā)出若干個(gè)字節的待寫(xiě)數據，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數據，等待SPI接口空閑后，DSP繼續從CH376接收若干個(gè)字節的數據，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(xiě)入數據34H，后一個(gè)是發(fā)出命令28H并讀出數據78H。

為實(shí)現DSP的USB主從雙向通信設計方案，現將DSP的SPORTs接口模擬SPI接口并與支持SPI接口通信模式的設備進(jìn)行通信。主模式下SPI接口需要4個(gè)信號：數據輸入(MISO)，數據輸出(MOSI)，時(shí)鐘(SCK)和片選(／SPISS)。這4個(gè)信號其中有3個(gè)和SPORTs接口相對應：(1)MOSI對應SPORTs口的傳輸引腳(DTxPRI)。(2)MISO對應SPORTs口的接受引腳(DRxPRI)。(3)SCK對應SPORTs口的時(shí)鐘引腳(TSCLKx／RSCLKx)。
SPI接口中未與SPORTs接口對應的引腳信號就是片選信號。片選信號(／SPISS)在SPI接口中用作時(shí)鐘SCK的選通。作為一個(gè)SPI從設備，只有片選／SPISS被拉低，響應才在時(shí)鐘信號SCK的邊沿發(fā)生，一旦設備被使能通信開(kāi)始，SPORTs主接口就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)持續的時(shí)鐘。要將SPORTs口模擬SPI口，正確的時(shí)序和片選／SPISS信號是重點(diǎn)。TFS被配置成低時(shí)，同一周期內數據被放置在SPORTs的發(fā)送引腳DTxPRI上，且在數據的傳輸過(guò)程中TFS信號始終被拉低，直到新的數據開(kāi)始傳輸，這恰好與SPI接口的／SPISS信號一致。反之作為從模式下，也一樣。因此用SPORTs接口的同步時(shí)序信號模擬／SPISS片選信號即可滿(mǎn)足要求。硬件連接如圖4所示。

系統硬件電路如圖5所示，系統將CH376配置為串行通信方式，使用SPORT1口，DSP主模式時(shí)，數據流通過(guò)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(guò)外部USB端口時(shí)CH376以USB—HOST的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)U盤(pán)，反之，DSP從模式時(shí)，PC機通過(guò)USB端口，CH376以USB—SLAVE的方式與Blackfin533進(jìn)行通信。

CH376芯片的SCS引腳由DSP的SPORT口幀同步引腳TFS和RFS驅動(dòng)，SCK由DSP得SPORT發(fā)送和接受時(shí)鐘輸出引腳TSCLK和RSCLK驅動(dòng)，SDI引腳由DSP得SPORT數據輸出引腳DTxPRI驅動(dòng)，SDO引腳則連接到DSP的SPORT數據輸入引腳DRxPRI。
CH376芯片的配置，電容C2用于內部電源節點(diǎn)退耦從而降低USB傳輸過(guò)程中的EMI，晶體X1是振蕩電路，用于向CH376提供系統時(shí)鐘信號，P1是USB端口，電阻R1用于限制輸出給外部USB設備的電流，C1主要用于減少在USB設備剛插入時(shí)的電源電壓紋波。關(guān)于Blackfin533的外圍電路配置可參考ADI官方設計手冊。
4 軟件設計
CH376S對U盤(pán)的讀寫(xiě)分為扇區模式和字節模式兩種。扇區模式以扇區為單位，對U盤(pán)文件進(jìn)行讀寫(xiě)，其讀寫(xiě)速度快，但通常需要額外的緩沖區。字節模式以字節為單位對U盤(pán)文件進(jìn)行讀寫(xiě)，讀寫(xiě)速度慢，通常用作小數據量的讀寫(xiě)，但使用較為方便。

系統軟件流程如圖6所示，DSP判斷用戶(hù)選擇寫(xiě)U盤(pán)操作或上位機操作。當選擇讀取U盤(pán)操作時(shí)，首先初始化CH376芯片，通過(guò)循環(huán)不斷檢測U盤(pán)是否連接就緒，U盤(pán)就緒后，創(chuàng )建文件名，并將數據寫(xiě)入文件，同時(shí)關(guān)閉文件，進(jìn)入到開(kāi)始。當選擇上位機操作，通過(guò)USB數據線(xiàn)，將系統連入PC機，首先初始化CH376芯片，DSP判斷上位機軟件是否發(fā)出操作命令，若發(fā)出的是命令控制字，則執行相應的操作，并繼續判斷上位機是否發(fā)出命令字；若發(fā)出的命令是交出控制權，則系統恢復本地控制，并進(jìn)入到開(kāi)始。
5 實(shí)驗測試
整個(gè)系統設計的測試主要分為U盤(pán)測試和上位機測試。





選擇USB從接口模式，測試工具為USB設備CH372或CH375調試工具，由于在上位機程序中定義#define uREAD_DATA 0x80，所以在調試工具中，設置端口下傳數據為接收數據命令即80。實(shí)驗結果表明，在端點(diǎn)上傳中成功接收0～3F，共64個(gè)數據。實(shí)驗結果如圖7所示。


6 結束語(yǔ)
設計從硬件和軟件兩方面對基于A(yíng)DSP-Blackfin533 SPORTs口的USB主從接口設計進(jìn)行了詳細論述，其具有傳輸速度快、結構簡(jiǎn)單、操作方便及傳輸數據量大等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測試，性能穩定可靠，可廣泛應用于各種實(shí)際場(chǎng)合。