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)議實現(xiàn)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、驅動程序、CH376芯片的驅動程序等。實現(xiàn)了DSP對USB存儲設備的讀寫訪問，以及計算機與DSP的通信，實驗表明，整個設計可實現(xiàn)對U盤的快速讀寫，并方便與PC機進行通信。
關鍵詞SPORTs；SPI；CH376；USB
1 設計原理
模塊主要實現(xiàn)DSP與計算機的通信及數(shù)據(jù)的存儲。基于DSP的USB主從雙向通信設計方案，通過ADSP BF533 SPORTs模擬SPI口，完成ADSP與CH376的通信，實現(xiàn)DSP與PC機、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。


2 芯片介紹
2．1 CH376芯片
CH376是南京沁恒公司生產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卡中的文件或與計算機通訊。
2．2 ADSP—BF533芯片
ADSP—BF533處理器是Blackfin系列產品之一，是為滿足嵌入式音頻、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)合開發(fā)的微信號架構(MicroSignalArchitecture，MSA)，將一個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UART口、一個SPI口、兩個串行口(SPORTs)和PF口等。

Blackfin533有兩個相同的同步串口SPORT0和SPORT1。這兩個串口支持各種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。圖2是SPORT的簡化框圖。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，從內部寄存器寫入SPORT、的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。根據(jù)選擇，此數(shù)據(jù)可由硬件進行壓擴后自動傳送至移位寄存器，也可不執(zhí)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引腳的時鐘同步。SPORT的接收部分從DR接收數(shù)據(jù)，并與串行時鐘同步。接收一個完整字后，數(shù)據(jù)展開的同時自動傳送到SPORT的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中，該寄存器可被處理器訪問。
3 硬件設計
CH376總是從SPI時鐘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1Byte。DSP按SPI輸出方式發(fā)出1 Byte數(shù)據(jù)，CH376將SPI片選SCS有效后收到的首個字節(jié)當作命令碼，后續(xù)字節(jié)當做數(shù)據(jù)。寫操作時，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，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接口的邏輯時序圖，前一個發(fā)出命令12H并寫入數(shù)據(jù)34H，后一個是發(fā)出命令28H并讀出數(shù)據(jù)78H。

為實現(xiàn)DSP的USB主從雙向通信設計方案，現(xiàn)將DSP的SPORTs接口模擬SPI接口并與支持SPI接口通信模式的設備進行通信。主模式下SPI接口需要4個信號：數(shù)據(jù)輸入(MISO)，數(shù)據(jù)輸出(MOSI)，時鐘(SCK)和片選(／SPISS)。這4個信號其中有3個和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接口中用作時鐘SCK的選通。作為一個SPI從設備，只有片選／SPISS被拉低，響應才在時鐘信號SCK的邊沿發(fā)生，一旦設備被使能通信開始，SPORTs主接口就會產生一個持續(xù)的時鐘。要將SPORTs口模擬SPI口，正確的時序和片選／SPISS信號是重點。TFS被配置成低時，同一周期內數(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信號一致。反之作為從模式下，也一樣。因此用SPORTs接口的同步時序信號模擬／SPISS片選信號即可滿足要求。硬件連接如圖4所示。

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，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口進行通信，在經(jīng)過外部USB端口時CH376以USB—HOST的方式來訪問U盤，反之，DSP從模式時，PC機通過USB端口，CH376以USB—SLAVE的方式與Blackfin533進行通信。

CH376芯片的SCS引腳由DSP的SPORT口幀同步引腳TFS和RFS驅動，SCK由DSP得SPORT發(fā)送和接受時鐘輸出引腳TSCLK和RSCLK驅動，SDI引腳由DSP得SPORT數(shù)據(jù)輸出引腳DTxPRI驅動，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用于內部電源節(jié)點退耦從而降低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設備剛插入時的電源電壓紋波。關于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U盤文件進行讀寫，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U盤文件進行讀寫，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盤操作或上位機操作。當選擇讀取U盤操作時，首先初始化CH376芯片，通過循環(huán)不斷檢測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，同時關閉文件，進入到開始。當選擇上位機操作，通過USB數(shù)據(jù)線，將系統(tǒng)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(zhí)行相應的操作，并繼續(xù)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(tǒng)恢復本地控制，并進入到開始。
5 實驗測試
整個系統(tǒng)設計的測試主要分為U盤測試和上位機測試。





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(shù)據(jù)為接收數(shù)據(jù)命令即80。實驗結果表明，在端點上傳中成功接收0～3F，共64個數(shù)據(jù)。實驗結果如圖7所示。


6 結束語
設計從硬件和軟件兩方面對基于ADSP-Blackfin533 SPORTs口的USB主從接口設計進行了詳細論述，其具有傳輸速度快、結構簡單、操作方便及傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點。經(jīng)測試，性能穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于各種實際場合。