基于Linux下USB主机接口设计

由于人们对数字形式信息的需求量越来越大，数据通信及其应用技术受到越来越广泛的关注和应用。随着技术的发展。USB通信正向高速、方便快捷、稳定可靠的方向发展。目前，大多数USB设备都是需要与PC机相连进行通信，而USB设备之间的通信则无法实现。而对于一些处在特殊环境下的称重设备的数据传输和系统升级，PC机很不方便实现，因此迫切要求开发出能够识别USB设备的主机端口。这样使用U盘等设备就能实现数据传输。本系统设计在AT91SAM7X256控制器的基础上，增加了主机端口，适用于工矿企业中称重设备的数据更新和系统升级。

1 系统整体方案
    USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，提供一种兼容不同速度的、可扩充的，使用方便的外围设备接口，同时也是为解决计算机接口太多等问题而设计的。在嵌入式系统中如果处理器集成了OHCI标准的USB主机控制器，则直接就可以引出USB主控端口：而对于没有集成的处理器，则需要使用USB主控器件，从总线上扩展USB主机接口。很多IC制造商都提供这种主控器件，如Scanlogic公司的SL811HS／T等。在编写USB设备驱动程序设计时，可以分为3部分编写：主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序。对于一些不具备USB主机端口的设备，为了实现通信的方便、快捷性，如与U盘直接通信等设备是完全有必要在原来设备的基础上扩展USB主机端口。

    该系统硬件设计是由电源、复位、时钟电路、以太网口、USB主机和设备端口以及串口组成，其结构框图如图1所示。其中，以太网口用于将设备接入网络实行远程管理和监控。将设备的数据接入Internet，实现远程监控，适用于工矿企业设备的集中化管理和维护。USB主机端口通过主机控制器SL811HS／T与控制器AT9lSAM7X256相连，进行数据通信。USB设备端口作为与PC机通信的接口。该系统设计的创新在于该设备抛开了PC机，既可作为主机，也可作为外设，并与其他0TG设备直接实现点对点通信。

2 硬件电路设计
    USB主机与设备之间的通信最终都是通过USB主机控制器和USB设备的总线接口间的电缆实现的，任何一个输出请求都是由主机控制器组成包的形式发往总线的。USB,总线中只有一个主机，它是USB树形结构的根，通过一个根HUB提供一个或多个连接点，由其连接各个USB设备。
2．1 核心器件选型
    该系统设计选用Scanlogic公司的SL811HS／T作为USB主机接口器件，该器件是既能用作Host模式又能用作Slave模式的，具有标准微处理器总线接口USB控制器，适用于非PC设备在Host模式下，它支持嵌入式主机与USB外围设备的通信，在Slave模式下，可作为主机的一个外设。SL811HS具有以下特点：是遵循USBl．1协议的嵌入式USB Host／Slave器件；提供8 bit宽数据总线及中断支持，方便与微处理器、微控制器连接；通过硬件设置或软件设置，工作在Host或Slave模式；自动探测所接设备是低速设备还是高速设备：8 bit双向数据总线；片上SI-E、USB收发器；软件控制下运行为单个USB主或从设备主机或从设备模式有1．5 Mb／s的低速，12 Mb／s的全速，自动识别低速和全速设备8位双向数据，工作于12 MHz或48 MHz晶振或振荡器。
    微处理器是系统核心，其性能直接决定该系统设计的准确性，稳定性和可靠性。基于本系统对精度和实时性的要求。选用ATMEL公司的AT9lSAM7X256单片机。它具有以下特点：1)内部集成ARM7TDMI ARM Thumb处理器，支持嵌入式ICE内电路仿真以及调试通信接口：2)复位控制器(RSTC)，基于上电复位单元，提供外部信号整形和复位源状态；3)时钟发生器(CKGR)，低功耗RC振荡器，3～20 MHz片上振荡器和1个PLL；4)电源管理控制器(PMC)，具有电源优化功能，包括慢速时钟模式(低于500 Hz)和空闲模式，4个可编程外部时钟信号；5)USB2．0全速(每秒12Mbit)设备接口，具有片上收发器，大小为1 352字节的可配置成FIF0；6)10／100base-T(Mb／s)的以太网口；7)提供片上1．8 V稳压器，
为内核及外部组件提供高达100 mA的电流，3．3 V VDDIO提供I／O线电源，独立的3．3 V VDDFLASH提供Flash电源，具有掉电检测的1．8 V VDDCORE提供内核电源。
2．2 AT91SAM7X256的USB设备端口设计
    AT91SAM7X256的USB设备端口原理图，如图2所示。由于AT91SAM7X256支持USB2．0全速(每秒12 Mbit)设备接口，故AT91SAM7X256的2个引脚DDM和DDP与外界USB相连，直接实现USB设备端口。

  [!--empirenews.page--]  由USB接口输入5 V直流电源，二极管VD1用于限制电源的导通方向，经过C18、C19滤波，然后经过SPXll7M-3．3将电源稳压至3．3 V。为了降低噪声和出错率，应隔离模拟电源与数字电源，图3中的L1和L2用于电源隔离元件(将数字电源的高频噪声隔离)。SPXll7M-3．3是Sipex公司的LDO器件，其特点为输出电流大，输出电压精度高稳定性高。SPXll7M系列LD0器件输出电流可达800 mA，具有电流保护和热保护功能，可广泛应用于数字家电和工业控制等领域。

2．3 USB主机端口设计
    AT91SAM7X256的USB主机端口原理图，如图3所示。SL811HS／T选用48引脚的TQFP封装形式，SL811HS／T既能用作Host模式又能用作Slave模式。将SL811HS／T的M／S引脚接地，即设为低电平信号(M／S=0)，选择作为主机端口。
    SL811HS／T的D0～D7端口为双向数据I／O端口，与控制器的PAl0～PAl7端口相连，实现数据通信。SL811HS／T的nRD引脚与AT91SAM7X256的PA9相连，nWR引脚与AT9lSAM7X256的PA8相连，SL811HS／T的nCS引脚与AT91SAM7X256的PA7相连，AO引脚与AT91SAM7X256的PA6相连，控制SL811HS／T的读写状态，如图4所示。

    访问存储器和控制寄存器的空间时，先设A0=0后写地址，接下来设A0=1，再进行寄存器／存储器读／写周期。当nWR或nCS处于无效时，SL811HS写或读操作终止。对于连接到SL81lHS的设备，在write nWR信号之前取消片选nCS，数据将一直保持并与指定的值相同。SL811HS／T的nRST引脚与AT91SAM7X256的PAl8相连，实现软件低电平复位功能。SL811HS／T的引脚7、8与USB接口的DATA+，DATA-相连实现数据通信。S-L811HS／T的Clk／X1引脚和X2引脚与外接12 MHz晶振相连。

3 系统软件实现
    USB设备驱动程序设计包括主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序和设备端驱动程序3部分组成。主机端设备驱动程序就是设备驱动程序，它是主机环境中为用户应用程序提供一个访问USB外设的接口。Linux为这部分驱动程序提供编程接口，设计者只要按照需求编写驱动程序框架，通过调用操作系统提供的APl接口函数可以完成对USB外设的特定访问。
3．1 USB设备驱动程序框架
    图5所示Linux中USB驱动的体系结构。Linux USB主机驱动由3部分组成：USB主机控制器驱动，USB驱动和不同的USB设备类驱动。USB驱动程序首先要向Linux内核进行注册自己，并告之系统该驱动程序所支持的设备类型及其所支持的操作。这些信息通过usb_driver结构传递。

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3．2 注册和注销
    USB驱动程序注册，就是把在初始化函数中填好的use_driver结构作为参数传递给use_register()函数即可，函数的调用方法为：result =usb_register(&skel_driver)；当要从系统卸载驱动程序时，也是将use_driver结构作为参数传递给usb_deregister函数处理。函数的调用格式为：
   
    当USB设备插入时，为了使linux-hotplug系统自动装载驱动程序，需要创建一个MODULE_DEVICE_TABLE。核心代码如下(这个模块仅支持某一特定设备)：
   
3．3 probe()函数
    probe()函数的编写格式为：static void*skel_probe(struct usb_device*dev，unsigned int ifnum，const struct usb_device_id* id)；驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接收，如果不接收，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe()函数返回一个NULL值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针，通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
    在驱动程序里，最后一点是要注册devfs(设备文件系统)。首先创建一个缓冲用来保存那些被发送给USB设备的数据和那些从设备上接收的数据，并为设备传输创建一个USB请求块(URB)以向设备写入数据，同时USB urb被初始化，然后在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问USB的设备。注册过程如下：

    如果devfs_register函数失败，devfs子系统会将此情况报告给用户。如果设备从USB总线拔掉，设备指针会调用disconnect函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据，关闭urbs，并且从devfs上注销调自己。
3．4 open()，write()和read()函数
    首先，要打开此设备。在open()函数中MODULE_INC_USE_COUNT宏是一个关键，它起到一个计数的作用，有一个用户态程序打开一个设备，计数器就加1。read()函数首先从open()函数中保存的fi。write()函数和read()函数是完成驱动对读写等操作的响应。在skel write中，一个FLL_BULK_URB函数，就完成了urb系统callbak和的skel_write_bulk_callback之间的联系。read函数与write函数稍有不同在于：程序并没有用urb将数据从设备传送到驱动程序，而是用usb_bulk_msg函数代替，这个函数能够不需要创建urbs和操作urb函数的情况下，来发送数据给设备，或者从设备来接收数据。调用usb_bulk_msg函数并传到一个存储空间，用来缓冲和放置驱动收到的数据，若没有收到数据表示失败并返回一个错误信息。usb_bulk_msg函数，当对USB设备进行一次读或者写时，usb_bulk_msg函数是非常有用的；然而，当需要连续地对设备进行读／写时，应建立一个自己的urbs，同时将urbs提交给USB子系统。
    MOD_DEC_USE_COUNT宏也会被调用到，首先确认当前是否有其他的程序正在访问这个设备，如果是最后一个用户在使用，可以关闭任何正在发生的写，操作如下：
   
    USB设备可以在任何时间点从系统中取走，即使程序目前正在访问它。USB驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题，它需要能够切断任何当前的读写，同时通知用户空间程序：USB设备已经被取走。

4 实验结果
    经过大量的试验，该系统工作稳定可靠，传输速度快且具有极低的误码率。利用逻辑分析仪和Bus Hound软件进行相应的逻辑功能分析，USB主机与设备之间可以正常通信。因为整个电路主要应用于称重系统，所以着重测试了控制传输和批量传输这两种数据传输方式。批量传输的有效数据传输速率可以达到1 Mb／s，这是传输带宽的限制和数据包中冗余信息的存在所导致的。总体来讲，1 Mb／s的传输速率还是令人满意的。

5 结束语
    本系统以AT91SAM7X256单片机为核心进行设计，采用SL811HS／T主控器件，实现了USB主机端口的扩展，使称重设备中同时具有USB设备端和主机端口，因此，该系统设计实现数据的点对点通信，实现称重设备数据更新、系统升级的可靠、快捷，适合工矿企业特殊环境下设备数据的更新，便于对设备的管理和维护。并在称重系统中引入USB主机端口具有非常实用的特点。因此，该系统设计具有很好的应用前景。