基于Linux下USB主機(jī)接口設(shè)計(jì)

1、基于linux下usb主機(jī)接口設(shè)計(jì)因?yàn)槿藗儗?duì)數(shù)字形式信息的需求量越來越大，數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)展。通信正向高速、便利快捷、穩(wěn)定牢靠的方向進(jìn)展。目前，大多數(shù)usb設(shè)備都是需要與pc機(jī)相連舉行通信，而usb設(shè)備之間的通信則無法實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于一些處在特別環(huán)境下的稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)升級(jí)，pc機(jī)很不便利實(shí)現(xiàn)，因此迫切要求開發(fā)出能夠識(shí)別usb設(shè)備的主機(jī)端口。這樣用法u盤等設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在at91sam7x256控制器的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了主機(jī)端口，適用于工礦企業(yè)中稱重設(shè)備的數(shù)據(jù)更新和系統(tǒng)升級(jí)。1 系統(tǒng)整體計(jì)劃usb(universalserialbu

2、s)即通用串行，提供一種兼容不同速度的、可擴(kuò)充的，用法便利的外圍設(shè)備接口，同時(shí)也是為解決計(jì)算機(jī)接口太多等問題而設(shè)計(jì)的。在系統(tǒng)中假如處理器集成了ohci標(biāo)準(zhǔn)的usb主機(jī)控制器，則挺直就可以引出usb主控端口：而對(duì)于沒有集成的處理器，則需要用法usb主控器件，從總線上擴(kuò)展usb主機(jī)接口。無數(shù)ic創(chuàng)造商都提供這種主控器件，如scanlogic公司的sl811hst等。在編寫usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以分為3部分編寫：主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于一些不具備usb主機(jī)端口的設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)通信的便利、快捷性，如與u盤挺直通信等設(shè)備是徹低有須要在本來設(shè)備的基礎(chǔ)上擴(kuò)展us

3、b主機(jī)端口。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由電源、復(fù)位、時(shí)鐘、以太網(wǎng)口、usb主機(jī)和設(shè)備端口以及串口組成，其結(jié)構(gòu)框圖1所示。其中，以太網(wǎng)口用于將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)采取遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。將設(shè)備的數(shù)據(jù)接入internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，適用于工礦企業(yè)設(shè)備的集中化管理和維護(hù)。usb主機(jī)端口通過主機(jī)控制器sl811hst與控制器at9lsam7x256相連，舉行數(shù)據(jù)通信。usb設(shè)備端口作為與pc機(jī)通信的接口。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新在于該設(shè)備拋開了pc機(jī)，既可作為主機(jī)，也可作為外設(shè)，并與其他0tg設(shè)備挺直實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。2 硬件電路設(shè)計(jì)usb主機(jī)與設(shè)備之間的通信終于都是通過usb主機(jī)控制器和usb設(shè)備的總線接口間的電纜實(shí)現(xiàn)的，任何

4、一個(gè)輸出哀求都是由主機(jī)控制器組成包的形式發(fā)往總線的。usb,總線中惟獨(dú)一個(gè)主機(jī)，它是usb樹形結(jié)構(gòu)的根，通過一個(gè)根hub提供一個(gè)或多個(gè)銜接點(diǎn)，由其銜接各個(gè)usb設(shè)備。21 核心器件選型該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用scanlogic公司的sl811hst作為usb主機(jī)接口器件，該器件是既能用作host模式又能用作slave模式的，具有標(biāo)準(zhǔn)微處理器總線接口usb控制器，適用于非pc設(shè)備在host模式下，它支持嵌入式主機(jī)與usb外圍設(shè)備的通信，在slave模式下，可作為主機(jī)的一個(gè)外設(shè)。sl811hs具有以下特點(diǎn)：是遵循usbl1協(xié)議的嵌入式usbhostslave器件；提供8bit寬數(shù)據(jù)總線及中斷支持，便利與微處

5、理器、微控制器銜接；通過硬件設(shè)置或軟件設(shè)置，工作在host或slave模式；自動(dòng)探測(cè)所接設(shè)備是低速設(shè)備還是高速設(shè)備：8bit雙向數(shù)據(jù)總線；片上si-e、usb；軟件控制下運(yùn)行為單個(gè)usb主或從設(shè)備主機(jī)或從設(shè)備模式有15mbs的低速，12mbs的全速，自動(dòng)識(shí)別低速和全速設(shè)備8位雙向數(shù)據(jù)，工作于12mhz或48mhz晶振或。微處理器是系統(tǒng)核心，其性能挺直打算該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確性，穩(wěn)定性和牢靠性?；诒鞠到y(tǒng)對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求。選用atmel公司的at9lsam7x256。它具有以下特點(diǎn)：1)內(nèi)部集成7tdmiarmthumb處理器，支持嵌入式ice內(nèi)電路以及調(diào)試通信接口：2)復(fù)位控制器(rstc)，

6、基于上電復(fù)位單元，提供外部信號(hào)整形和復(fù)位源狀態(tài)；3)時(shí)鐘發(fā)生器(ckgr)，低功耗rc振蕩器，320mhz片上振蕩器和1個(gè)pll；4)控制器(pmc)，具有電源優(yōu)化功能，包括慢速時(shí)鐘模式(低于500hz)和空閑模式，4個(gè)可編程外部時(shí)鐘信號(hào)；5)usb20全速(每秒12mbit)設(shè)備接口，具有片上收發(fā)器，大小為1352字節(jié)的可配置成fif0；6)10100base-t(mbs)的以太網(wǎng)口；7)提供片上18v穩(wěn)壓器，為內(nèi)核及外部組件提供高達(dá)100ma的，33vvddio提供io線電源，自立的33vvddflash提供flash電源，具有掉電檢測(cè)的18vvddcore提供內(nèi)核電源。22 at91sa

7、m7x256的usb設(shè)備端口設(shè)計(jì)at91sam7x256的usb設(shè)備端口原理圖，2所示。因?yàn)閍t91sam7x256支持usb20全速(每秒12mbit)設(shè)備接口，故at91sam7x256的2個(gè)引腳ddm和ddp與外界usb相連，挺直實(shí)現(xiàn)usb設(shè)備端口。由usb接口輸入5v直流電源，vd1用于限制電源的導(dǎo)通方向，經(jīng)過c18、c19濾波，然后經(jīng)過spxll7m-33將電源穩(wěn)壓至33v。為了降低噪聲和出錯(cuò)率，應(yīng)隔離模擬電源與數(shù)字電源，圖3中的l1和l2用于電源隔離元件(將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離)。spxll7m-33是sipex公司的器件，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出精度高穩(wěn)定性高。spxll7m系

8、列l(wèi)d0器件輸出電流可達(dá)800ma，具有電流庇護(hù)和熱庇護(hù)功能，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。23 usb主機(jī)端口設(shè)計(jì)at91sam7x256的usb主機(jī)端口原理圖，3所示。sl811hst選用48引腳的tqfp封裝形式，sl811hst既能用作host模式又能用作slave模式。將sl811hst的ms引腳接地，即設(shè)為低電平信號(hào)(ms=0)，挑選作為主機(jī)端口。sl811hst的d0d7端口為雙向數(shù)據(jù)io端口，與控制器的pal0pal7端口相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。sl811hst的nrd引腳與at91sam7x256的pa9相連，nwr引腳與at9lsam7x256的pa8相連，sl811h

9、st的ncs引腳與at91sam7x256的pa7相連，ao引腳與at91sam7x256的pa6相連，控制sl811hst的讀寫狀態(tài)，4所示。拜訪存儲(chǔ)器和控制寄存器的空間時(shí)，先設(shè)a0=0后寫地址，接下來設(shè)a0=1，再舉行寄存器存儲(chǔ)器讀寫周期。當(dāng)nwr或ncs處于無效時(shí)，sl811hs寫或讀操作終止。對(duì)于銜接到sl81lhs的設(shè)備，在writenwr信號(hào)之前取消片選ncs，數(shù)據(jù)將向來保持并與指定的值相同。sl811hst的nrst引腳與at91sam7x256的pal8相連，實(shí)現(xiàn)軟件低電平復(fù)位功能。sl811hst的引腳7、8與usb接口的data+，data-相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。s-l811h

10、st的clkx1引腳和x2引腳與外接12mhz晶振相連。3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備端驅(qū)動(dòng)程序3部分組成。主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它是主機(jī)環(huán)境中為用戶應(yīng)用程序提供一個(gè)拜訪usb外設(shè)的接口。為這部分驅(qū)動(dòng)程序提供編程接口，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)需求編寫驅(qū)動(dòng)程序框架，通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的apl接口函數(shù)可以完成對(duì)usb外設(shè)的特定拜訪。31 usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架圖5所示linux中usb驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)。linuxusb主機(jī)驅(qū)動(dòng)由3部分組成：usb主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，usb驅(qū)動(dòng)和不同的usb設(shè)備類驅(qū)動(dòng)。usb驅(qū)動(dòng)程序首先要向linux內(nèi)核舉行注

11、冊(cè)自己，并告之系統(tǒng)該驅(qū)動(dòng)程序所支持的設(shè)備類型及其所支持的操作。這些信息通過usb_driver結(jié)構(gòu)傳遞。32 注冊(cè)和注銷usb驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)，就是把在初始化函數(shù)中填好的use_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給use_register()函數(shù)即可，函數(shù)的調(diào)用辦法為：result=usb_register(&skel_driver)；當(dāng)要從系統(tǒng)卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，也是將use_driver結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞給usb_deregister函數(shù)處理。函數(shù)的調(diào)用格式為：當(dāng)usb設(shè)備插入時(shí)，為了使linux-hotplug系統(tǒng)自動(dòng)裝載驅(qū)動(dòng)程序，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)module_device_table。核心代碼如下

12、(這個(gè)模塊僅支持某一特定設(shè)備)：33 probe()函數(shù)probe()函數(shù)的編寫格式為：staticvoid*skel_probe(structusb_device*dev，unsignedintifnum，conststructusb_device_id*id)；驅(qū)動(dòng)程序需要確認(rèn)插入的設(shè)備是否可以被接收，假如不接收，或者在初始化的過程中發(fā)生任何錯(cuò)誤，probe()函數(shù)返回一個(gè)null值。否則返回一個(gè)含有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序狀態(tài)的指針，通過這個(gè)指針，就可以拜訪全部結(jié)構(gòu)中的回調(diào)函數(shù)。在驅(qū)動(dòng)程序里，最后一點(diǎn)是要注冊(cè)devfs(設(shè)備文件系統(tǒng))。首先創(chuàng)建一個(gè)緩沖用來保存那些被發(fā)送給usb設(shè)備的數(shù)據(jù)和那些從設(shè)備

13、上接收的數(shù)據(jù)，并為設(shè)備傳輸創(chuàng)建一個(gè)usb哀求塊(urb)以向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)usburb被初始化，然后在devfs子系統(tǒng)中注冊(cè)設(shè)備，允許devfs用戶拜訪usb的設(shè)備。注冊(cè)過程如下：假如devfs_register函數(shù)失敗，devfs子系統(tǒng)會(huì)將此狀況報(bào)告給用戶。假如設(shè)備從usb總線拔掉，設(shè)備指針會(huì)調(diào)用disconnect函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序就需要清除那些被分配了的全部私有數(shù)據(jù)，關(guān)閉urbs，并且從devfs上注銷調(diào)自己。34 open()，write()和read()函數(shù)首先，要打開此設(shè)備。在open()函數(shù)中module_inc_use_count宏是一個(gè)關(guān)鍵，它起到一個(gè)計(jì)數(shù)的作用，有一個(gè)用戶態(tài)

14、程序打開一個(gè)設(shè)備，計(jì)數(shù)器就加1。read()函數(shù)首先從open()函數(shù)中保存的fi。write()函數(shù)和read()函數(shù)是完成驅(qū)動(dòng)對(duì)讀寫等操作的響應(yīng)。在skelwrite中，一個(gè)fll_bulk_urb函數(shù)，就完成了urb系統(tǒng)callbak和的skel_write_bulk_callback之間的聯(lián)系。read函數(shù)與write函數(shù)稍有不同在于：程序并沒實(shí)用urb將數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到驅(qū)動(dòng)程序，而是用usb_bulk_msg函數(shù)代替，這個(gè)函數(shù)能夠不需要?jiǎng)?chuàng)建urbs和操作urb函數(shù)的狀況下，來發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，或者從設(shè)備來接收數(shù)據(jù)。調(diào)用usb_bulk_msg函數(shù)并傳到一個(gè)存儲(chǔ)空間，用來緩沖和放置驅(qū)動(dòng)收

15、到的數(shù)據(jù)，若沒有收到數(shù)據(jù)表示失敗并返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。usb_bulk_msg函數(shù)，當(dāng)對(duì)usb設(shè)備舉行一次讀或者寫時(shí)，usb_bulk_msg函數(shù)是十分實(shí)用的；然而，當(dāng)需要延續(xù)地對(duì)設(shè)備舉行讀寫時(shí)，應(yīng)建立一個(gè)自己的urbs，同時(shí)將urbs提交給usb子系統(tǒng)。mod_dec_use_count宏也會(huì)被調(diào)用到，首先確認(rèn)當(dāng)前是否有其他的程序正在拜訪這個(gè)設(shè)備，假如是最后一個(gè)用戶在用法，可以關(guān)閉任何正在發(fā)生的寫，操作如下：usb設(shè)備可以在任何時(shí)光點(diǎn)從系統(tǒng)中取走，即使程序目前正在拜訪它。usb驅(qū)動(dòng)程序必需要能夠很好地處理解決此問題，它需要能夠切斷任何當(dāng)前的讀寫，同時(shí)通知用戶空間程序：usb設(shè)備已經(jīng)被取走。4 試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定牢靠，傳輸速度快且具有極低的誤碼率。利用規(guī)律分析儀和bushound軟件舉行相應(yīng)的規(guī)律功能分析，usb主機(jī)與設(shè)備之間可以正常通信。由于囫圇電路主要應(yīng)用于稱重系統(tǒng)，所以著重測(cè)試了控制傳輸和批量傳輸這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。批量傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1mbs，這是傳輸帶寬的限制和數(shù)據(jù)包