基于AVR单片机的USB 0TG主从机系统设计

0 引言
随着PDA、移动电话、数码相机、打印机等消费类产品的普及，用于这些设备与电脑、或设备与设备之间的高速数据传输技术越来越受到人们的关注。以往以计算机为核心的数据传输结构，非常不利于USB,总线在嵌入式行业的应用，也不适用于野外作业，而OTG技术的推出则可实现在没有PC的情况下，设备与设备之间的数据传输，它拓展了USB技术的应用范围。本文采用的设计方案是基于Philips公司的ISP1362 OTG控制芯片，参照最新的USB OTG技术规范，设计了一种遵循USB协议的主／从机系统。

1 ISP1362芯片的内部结构
Philips公司的ISP1362是一款符合USB 2．0总线协议的接口芯片，内部有3个USB控制器一主机控制器、设备控制器和OTG控制器。其中，主机控制器具备高度优化的USB主机功能；设备控制器则具有多达14个可编程端点，又可以被配置成双缓冲端点进一步提高吞吐量：而OTG控制器主要提供包括监控和转换功能在内的所有OTG控制。ISP1362内部构造如图1所示。

2 USB OTG主／从机系统设计
USB OTG主／从机系统设计包括硬件设计和软件设计两大模块。其中硬件电路主要是USB接口电路板的设计；软件设计包括设备初始化、系统的功能设计、设备驱动程序设计等，下面分别介绍系统软、硬件系统的设计方法。
2．1 系统硬件电路设计
USB OTG主／从机设计的硬件电路如图2所示，图中ATmega 32的PD口和IPA口用于控制ISP1362的时序，PB口和PC口则用于与ISP1362的D[0．．15]进行数据交换。ISP1362芯片有Port1和IPort2两个USB接口。Port1是个综合接口，可以配置成downstream、upstream或者是OTG；Port2是作为固定的downstream，主要接一般的USB设备。当ISP1362做主机时，主机内部的寄存器通过检测其相应状态寄存器的值就可以判断是Port1还是Port2接了设备，从而进行相应的处理。

ISP1362的Port1口主／从机功能通过ID、OTGMODE两引脚电平的高低组合来确定。当OTGMODE引脚接低，无论ID电平如何，则芯片的Port1口只能OTG用；如果OTGMODE接高，ID接低，芯片的Port1口作主机使用；OTGMODE接高，ID也接高时，则芯片的Port1口作外设使用。在电路中通过15kΩ的上拉电阻和下拉电阻实现ID、OTGMODE两引脚电平的高低变化。

2．2 系统软件设计
本设计的主机系统是一个软件和硬件的集合体，功能的实现不依赖于任何操作系统，而是通过中断来调度各个任务，使之满足USB通信的要求，因此系统是按照协议规范和特定的时序运行的。
本系统是ISP1362工作于主／从机模式下的应用，按系统硬件电路配置完成接口芯片，然后对其编程，就可以进行USB数据传输。系统工作流程如下：首先进行系统初始化，构建PTD传输描述符，接着总线枚举过程，给外设分配地址，获取外设的基本信息，并判断外设为主机设备或是从机设备，之后驱动相应的主／从机驱动程序运行，数据传送和接收，根据总线的活动情况判断是否挂起。系统流程图如图3所示：

实现ISP1362芯片的软件编程控制，就是对该芯片的CS、RD、WR、A0、A1引脚的控制。本文中CS代表片选，低电平有效；RD代表读信号，低电平有效；WR代表写信号，低电平有效；A0引脚电平的高低不同，分别表示传输的信号代表的是命令信号还是数据信号；A1引脚电平的高低不同，分别表示控制的是外设还是主机。通过上述几个引脚信号的组合，可以实现读写控制ISP1362的不同功能。除此之外，以下的几个引脚对于控制ISP1362也有重大意义：DREQ1引脚代表DMA请求输出，当它高电平有效时，通知IDMA控制器主机正在请求数据传送；DREQ2引脚高电平有效时，通知DMA控制器外设正在请求数据传送；DACK1引脚代表DMA确认输入，低电平有效时表明来自主机的DMA传输请求已经被DMA控制器确认；DACK2引脚低电平有效时表明来自外设的DMA传输请求已经被DMA控制器确认；INT1和INT2引脚连接到外部微处理器的IRQ引脚，使得ISP1362可以根据请求执行中断服务程序。软件设计具体工作流程如下：

(1)系统硬件初始化，包括ATmega32和ISP1362的初始化。AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器，它具有功耗低、速度快、输出高、开发工具开放、性价比高等优点，它的程序存储器和数据存储器是可以独立访问的哈佛结构，因此代码执行效率非常高。ATmega系列单片机的内部模块还很丰富，可用的资源也很多，本文对ATmega32的初始化，就是要对它的I／O口、定时器、时钟、看门狗等进行相应的设置，使之开始工作。而ISP1362的初始化，就是当ISP1362上电后，主机控制器驱动程序(HCD)必须通过一系列的硬件初始化步骤来配置主机控制器，从而进