基于SPI的USB控制器接口设计

    目前，USB接口的使用越来越广泛，许多设备上都提供了USB接口。传统的USB控制器需要使用包括数据线和控制线在内的十多根线，占用了大量的CPU资源。而现代设备正在向体积小、功能强的方向发展，CPU更是要求表贴封装，功耗低，其自身资源非常有限，所以在扩展接口方面必须要尽可能少地占用已有芯片资源。本文介绍了如何使用MAX3420进行USB接口扩展。MAX3420提供了SPI接口，只需3～4根线便可实现USB接口。

1 MAX3420简介
    MAX3420是Maxim公司推出的一款全速USB外设，包括必要的数字逻辑和模拟电路，支持USB2．O协议。MAX3420内建全速收发器，支持±15kV的ESD保护，可以编程控制USB总线的连接和断开；内含的串行接口引擎可以控制底层的USB协议细节，如错误校验和总线重连接。MAX3420通过SPI接口操作其内部寄存器，工作频率为26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根线便可增加USB功能。

2 MAX3420的外围电路
    作为一款全速USB外设，MAX3420的外围电路并不复杂，如图1所示，图中采用USB自身供电方式，右上角的3．3V稳压器表示产生3．3 V电压、为CPU供电的电压转换芯片，常用的有AS2830、LMlll7等。与CPU连接的引脚共有6个，其名称和功能如表l所列。其中，USB配置必需的引脚是SCLK、SS和MISO三个。芯片的供电电压为0～4 V，可以采用3．3 V供电；采用12 MHz晶振，内部锁相环进行4倍频；还提供了4个通用输出口和4个通用输入口，便于CPU的I／O口扩展。

    带有SPI接口的CPU，与MAX3420的接口十分方便；如果不带SPI接口，则也可用I／O口来实现SPI的功能。图2为CPU与MAX3420的接口原理图。

3 MAX3420的工作方式
    MAX3420的SPI接口可工作于以下两种工作方式：全双工方式(MOSI输入／MISO输出)和半双工方式(MOSI输入／输出)。
3.1 全双工方式
    全双工方式下的读操作：
    ①SS为高，MAX3420未选中，MISO为高阻态。
    ②当SCLK为静止态时，SS了，低，MAX3420选中；打开MISO输出缓冲，将要发送数据的最高位送到MISO输出。
    ③SPI主方式下，首先的8个时钟脉冲将命令由MOSI发送；MISO在SCLK上升沿输出USB状态位。
    ④8个时钟脉冲以后，SS为高，MAX3420停止工作，MISO输出高阻态。在SCLK下降沿，下一个输出数据的最高位在MISO顺序输出。
    全双工方式下的写操作：
    ①SPI主方式下设置时钟为静止态，SS为高。
    ②SS为低，将要写的数据的最高位放到MOSI输入。
    ③SPI主方式下．首先的8个时钟脉冲将命令由MOSI发送；MISO在SCLK上升沿输出USB状态位。
    ④8个时钟脉冲以后，SS为高，MAX3420停止工作。
    全双工方式下的读／写时序图如图3所示。

3．2 半双工方式
    半双工方式下MISO为高阻态，MOSI为双向。由于只有一根线，因此半双工方式下USB状态位不再有效。半双工方式下的读/写操作：
    ①SS为高，MAX3420未选中，MOSI可以为任意值。
    ②当SCLK为静止态时，SS为低，MAX3420选中；将要写的数据的最高位送到MOSI输入。
    ③SPI主控制器打开输出驱动，首先的8个时钟脉冲将命令在SCLK上升沿由MOSI发送；8个时钟脉冲后，SS为高。
    ④如果要写SPI数据，则SPI主控制器保持打开输出驱动，在SCLK脉冲下，顺序将数据位送到MOSI引脚；如果要读SPI数据，则在8个时钟脉冲后，SPI主控制器关闭输出驱动，开始从MOSI按时钟脉冲读入数据。
    ⑤SS为高．MAX3420停止工作。
    半双工方式下的读/写时序图如图4所示。

4 USB程序流程
    MAX3420共有4个端点，即EP0～EP3。其中：EP0为64字节的双向控制端点；EPl为2×64个字节的双缓冲、批处理／中断输出端点；EP2为2×64个字节的双缓冲、批处理／中断输入端点；EP3为64字节的批处理／中断输入端点。EPO主要用于枚举过程中发送命令，EP1和EP2主要用于完成大批量数据的收发。如图5所示，USB2．0协议由硬件接入层、中间层及上层应用3部分构成。其中：硬件接入层是与CPU紧密联系的，其他两层是与硬件无关的。硬件接入层主要实现了两个函数outport()和inport()。这两个函数是整个USB协议在硬件上运行的基础，只要在硬件接入层针对不同的CPU和MAX3420实现了这两个函数，便可以保证USB接口的正常工作。

    本文以PICl8F2520和MAX3420为例，在全双工方式下说明以上两个函数的示意性代码。
    void outport(unsigned char port，unsigned char value){
    使能CPU的SPI模式；

    设置CUP的SPI为主共和方式，MAX3420的SPI为从工作方式；

    使能CPU的SPI模式；

    设置CPU的SPI为主工作方式，MAX3420的SPI为从工作方式；

    USB2．0协议规定USB接口工作于被动工作方式，协议中间层主要包括总线重连接、EP0收发和中断处理等几部分，其工作流程如图6所示。协议上层应用程序由程序员按照规范根据具体需要编写。

5 总 结
    将MAX3420用于汽车车载故障诊断仪的USB接口设计，实际传输速率可达20 Mbps左右，完全可以满足对汽车总线上传输数据的实时采集要求；总共占用CPU的6个引脚，用于与MAX3420的控制、数据接口，实际使用效果良好。