MAX3420E系统调试

摘要：本应用笔记列出了保证MAX3420E正常工作需要的详细检查步骤，包括系统的检查过程和调试提示。

引言

当您设计了一块电路板，将MAX3420E与您喜爱的微控制器整合在一起。加电，插入USB，不能正常工作...，怎么办? 本文为您提供了答案。

第一次调试USB外设器件时，会面临很大的挑战。要使MAX3420E能够正常工作，首先需要按下列步骤进行检查。

检查USB 'B'型连接器的引脚

这是最容易出错的地方―视图是顶视图还是底视图? 引脚1在哪里? 如果您不是机械工程师，这些视图会让人感觉无所适从。图1和图2可帮您解决这一问题。

图1. USB B型连接器内部结构

图2. B型连接器的引脚位置，从PCB的下面看。

图3. USB电缆线连接器

应采用欧姆表来检查MAX3420E和USB连接器之间的连线。特别注意D+和D-。二者很容易搞反。请注意，MAX3420E与连接器D+和D-引脚之间有33电阻。对于这么小的电阻，大部分测试是否接通的仪表都会发出“嘀嘀”声。如果需要检查USB电缆，请参考图3。

USB“完整性”检查

本节阐述设备与USB的连接情况。完整性检查给出了D+和D-线的工作情况，在没有USB总线分析仪的情况下，这种方法非常有效。

复位处理器，将电缆连接至PC USB端口，初始化代码执行完毕后，在设置CONNECT位的语句前停止运行。该语句如下：

wreg(rUSBCTL,bmCONNECT);	// Connect to USB

在执行该语句之前，D+和D-应均为低电平。这是因为电缆的主机侧电路通过15k电阻将这些信号下拉至地。现在，单步执行CONNECT语句后，MAX3420E在D+和VCC (3.3V)之间接入一个1.5k内部电阻。此时，D+应变为高电平，其后会出现一些突发脉冲(图4)。

图4. 设置CONNECT = 1时，D+变为高电平，并出现一些突发脉冲。

上面的波形是D+，下面的是D-。该突发波形持续约18s，然后消失。D+保持高电平，D-保持低电平，然后弹出下面的Windows XP消息框(图5)：

图5. Windows XP提示消息

怎么回事?
请注意，程序为单步执行。到目前为止所作的只是连接了D+上拉电阻。该上拉提示PC有新的USB设备刚刚插入，因此PC开始向该设备发送信号，确定设备类型。这就是图4中的脉冲信号。由于微控制器代码停止运行，因此不会命令MAX3420E做出任何响应。PC由于没有收到响应信号，最终决定(18秒后)忽略该设备。D+为高电平和D-为低电平的总线状态称为“USB总线挂起”或者“挂起”。主机停止发送任何信号，MAX3420E的D+上拉电阻保持D+信号为高电平。

图6. 总线工作情况说明(没有画出NAK)

图6所示为利用LeCroy Instruments (LeCroy兼并了CATC，CATC是该分析仪的最初生产商)的USB总线分析仪测得的总线过程。当PC探测到设备插入后(CONNECT = 1)，它发出一个USB总线复位信号(没有画出)。然后，在Transfer 0，它发出一个“GET_DESCRIPTOR”请求以获取“DEVICE”类型。5.687s之后，PC发出第二个USB总线复位信号，再尝试5.578s，要求得到设备描述符。PC第三次复位总线，再尝试5.580s，然后挂起总线并放弃尝试。由于没有运行固件，设备不会听取或应答(ACK) PC的请求。

图7. 图6中第一次传输过程展开后的数据包和NAK握手信号

为清晰起见，图6没有画出MAX3420E回送的NAK (非应答)握手信号。图7将第一次传输过程展开，详细地显示数据包。现在可以看到Transfer 0以下面三个封包开始：

1. 主机向刚刚连上的设备 在这种情况下，USB发送地址0)发送一个SETUP包(63)。
2. 主机发送一个DATA包(64)，包含一个8字节“操作码”。
3. 外设(MAX3420E)回送一个ACK包(65)，确认无差错地收到两个主机封包。

如果打开含有MAX3420E的系统，插入USB，设置CONNECT = 1 (但是不再进行其他操作)，MAX3420E将发出ACK握手包(上面第3步的65字节包)。MAX3420E硬件自动应答CONTROL传输的SETUP阶段，这是由USB规范规定的。

接下来，主机开始发送IN请求，并从Transaction 1开始。对应每个IN请求，MAX3420E回送NAK (非应答)握手信号。这是因为还没有运行程序，因此，与MAX3420E连接的微控制器不会收到SUDAV IRQ (Setup数据就绪中断请求)。

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注意：MAX3420E通过置位SUDAV IRQ，提示微控制器收到了SETUP包。该信息通知微控制器需要对数据包解码，并回送要求的数据作为响应。

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这些IN-NAK过程持续5.687s，此时PC会复位总线，开始第二次尝试。图4中的脉冲信号即是IN-NAK过程。如果仔细观察示波器，5s后波形将略有变化―这对应总线复位(D+和D-同时置低约30ms)，其后是另一个SETUP包。然后，IN-NAK再持续5s。

供参考：另一个分析仪

图8. Beagle分析仪

产生图6和图7波形的USB总线分析仪可能超出了您的预算。尽管本应用笔记假设您只有一个示波器和欧姆表，我们还是强烈建议在USB开发过程中使用USB总线分析仪。我们使用的LeCroy/CATC具有多种优点，包括友好的界面和丰富的软件，最重要的是它享有工业标准USB测量工具的美誉。通过比对CATC波形来确定实际情况，解决了许多争论不休的问题(硬件、软件和芯片等)。总线总是如实反映情况。

幸亏现在有低成本USB分析仪。图8所示为Beagle-USB的屏幕截图。Beagle分析仪能够以比LeCroy/CATC低很多的价格显示总线的工作情况。如果对比图8中的Index 10和图6中的64字节数据包，会发现它们显示了完全相同的SETUP数据包。

检查进程

如果观察到了图4中的信号，已经可以确定USB连接器的连线是正确的，而且MAX3420E供电正常。如果还没有观察到该显示，可以尝试以下措施：

• 测量MAX3420E的RES#引脚，确定其为高电平。
• 测量晶振，确保其振荡频率为12MHz。必须是12MHz ±0.25%才能满足USB规范。如果超出容限，检查所连接的负载电容是否与并联谐振晶体所规定的电容一致(通常采用18pF)。
• 检查VCC是否为3.3V。
• 检查系统接口电压VL。确保不超过3.6V。
• 如果由VBUS通过一个3.3V稳压器对MAX3420E的VCC引脚供电，确定连接了USB。否则，MAX3420E的VCC无法供电。

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注意：由于固件运行与否和USB电缆连接无关，因此，与总线供电的设计相比，调试自供电设计要简单一些。可以先采用外部电源对样机供电。如果需要，以后可以再转为总线供电。

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下一步检查您的控制器是否能够成功地通过SPI总线与MAX3420E寄存器组进行通信。

检查rreg()和wreg()。
编写任何程序，无论是采用Maxim的实例代码还是自己从头开始编写代码，都需要使用读写MAX3420E寄存器的函数。下面的例子使用了这些函数原型：

unsigned char rreg(BYTE r);   // Read a MAX3420E register byte
void wreg(BYTE r,BYTE v);     // Write a MAX3420E register byte

在调试处理USB传输的代码前，先编写一个简单的子程序来测试这些函数。参见图9的例子：

图9. 单步执行，检查“rd” 8次，验证SPI接口与MAX3420E的通信情况。

图9中的测试代码先复位MAX3420E，然后向USBIEN寄存器写入每字节移动1位的8个字节。每个字节中有一位置位，从00000001开始，然后是00000010，最终以10000000结束。单步执行该函数，检查“rd”值8次，确定其值为0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40和0x80。如果是这样，则可以确定SPI接口寄存器的写和读操作均正常。如果能够写入USBIEN寄存器，并可靠的读回其内容，那么就可以读写所有的MAX3420E寄存器。

图10. 采用MAXQ2000微控制器的Rowley CrossStudio开发工具，单步执行，检查变量值。将光标指向“rd”，其数值会弹出。

图10所示为采用CrossStudio调试MAXQ2000微控制器的屏幕截图。将光标指向“rd”变量时，将激活弹出窗口(截图没有显示光标)。单步执行代码时，可采用这种方式来查看任何变量。

测试代码首先设置微处理器SPI端口。对应每种微处理器类型和特定IO引脚分配，SPI_Init()函数各不相同。然后，代码向PINCTL寄存器写入0x10，设置MAX3420E SPI接口为全双工工作模式。这将置位FDUPSPI位。代码置位CHIPRES位，然后对其清零，使MAX3420E处于已知的状态。建议在代码的开始部分包含芯片复位功能，从而在每一个调试周期的开始使MAX3420E处于已知的状态。

如果图10中的代码没有产生正确的结果，应检查SPI信号，确定其工作是否正常。

图11. 执行第一次wreg()调用

测试程序test_SPI()中的第一次wreg()调用，向MAX3420E的寄存器17写入数值0x10。SPI总线的波形应与图11所示一致。

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注意：图11所示的波形使用SPI模式(0,0)，在SCLK的上升沿采样SPI数据，SCLK的空闲电平为低电平。SPI接口不同，显示的波形会有不同的脉冲持续时间，但是对应SCLK上升沿的数值应该相同。

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每次访问SPI的第一个字节是命令字节，其字节格式如图12所示。注意图11中对应前一部分SLCK上升沿的MOSI波形，位模式10001010指定寄存器17 (第7位至第3位是10001，数值为17)。同样，第1位为高电平，表明是写操作。第二个字节的位模式是00010000。这是写入寄存器17的数据，即0x10 (只有第4位FDUPSPI寄存器位置位)。因此，该SPI访问将0x10写入寄存器17，置位FDUPSPI位。

图12. MAX3420E命令字节格式

得到这些波形的一种简单方法是设置示波器或者逻辑分析仪在SS#的下降沿触发，单步执行wreg()调用。

图13. 第一次写入USBIEN寄存器(test_SPI函数)

test_SPI()中的下一条语句是rreg()函数。第一次进入循环体时，将数值0x01写入USBIEN寄存器，如图13所示。

图14. 第一次调用rreg()函数

然后，test_SPI()函数读回USBIEN寄存器的数值，第一次通过循环体时，应等于1 (图14)。每次通过循环体时，写入和读回的位应向左移动一个SCLK边沿。

MAX3420E寄存器写和读操作验证完毕后，可以进一步调试程序。到目前为止所有的检查步骤均属于“完整性检查”。现在，我们开始实际处理USB通信功能的第一步：需要处理器响应不同的MAX3420E中断请求位。

IRQ位设置

似乎应该USB总线通信开始后MAX3420E才会置位中断请求位。实际上，当MAX3420E上电时，就会有IRQ位置位，当插入USB电缆和设置CONNECT = 1时，又有其他IRQ位置位。下面介绍该启动过程的中断请求情况。

完成复位
当MAX3420E完成复位后，即使还没有插入USB，某些中断请求位就会置位。这些位是：

EPIRQ寄存器:

• IN3BAVIRQ
• IN2BAVIRQ
• IN0BAVIRQ

EPIRQ寄存器的初始值应为0x19。MAX3420E置位这三个IRQ位，指示三个IN端点FIFO已经准备就绪，可以装入数据。BAV表示“Buffer Available”。

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ

USBIRQ寄存器的初始值应为0x01。上电时，MAX3420E启动其片内振荡器。振荡器稳定后，MAX3420E置位OSCOKIRQ位，指示已经准备就绪，可以进行工作。如果程序没有通过OSCOKIRQ位检查，请确定VCC引脚电压为3.3V。VCC为振荡器供电。

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注意：MAX3420E IRQ寄存器位不论其对应的使能位(在EPIEN和USBIEN寄存器中)是否置位，均可有效置位。使能位决定是否将请求位传送到驱动INT引脚的逻辑电路。参见应用笔记3661，MAX3420E中断系统，了解更详细的信息。

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USB插入后
插入USB (CONNECT = 0)后，即使USB没有通信，仍有一些USBIRQ位会置位。EPIRQ位与上面的情况一致，但是更多的USBIRQ位将置位：

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ
• VBUSIRQ (可能)

VBUSIRQ位指示MAX3420E通过检测VBCOMP引脚上的5V信号，探测到插入了USB电缆。这假定您已经将USB连接器的VBUS引脚连接至MAX3420E微控制器(VBUS比较器)的输入引脚。

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注意：USB连接器的VBUS引脚接MAX3420E的VBCOMP输入引脚是可选项。VBCOMP引脚不对MAX3420E内部供电。它只连接至内部VBUS比较器。

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设置CONNECT = 1之后
连接USB使主机发出一个总线复位信号，产生Get_Descriptor-Device请求，最终挂起总线。这些操作会置位USBIRQ寄存器中的更多IRQ位。注意，USB总线复位将清除VBUSIRQ位。

EPIRQ寄存器:

• IN3BAVIRQ
• IN2BAVIRQ
• IN0BAVIRQ
• SUDAVIRQ (通信开始后)

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ
• URESIRQ
• URESDNIRQ
• SUSPIRQ (最后)

如果将VBUS接VBCOMP引脚，USBIRQ寄存器读数为0x8D，并持续约20s，然后由于主机挂起总线，读数变为0x9D。

接下来的情况会取决于您的代码。如果您观察到的情况和前面吻合，则表明系统一切正常，可以继续往下检查您的代码。

调试方法：通过3个步骤触发中断

剩下的检查是确保固件能够正确响应PC发出的不同USB请求命令，并由MAX3420E给出相应信号。如果启动程序，插入USB后，什么也没有发生(可能会出现Windows USB错误消息)，那么可能是您的程序没有处理中断。下面的调试方法可以帮助解决这些中断问题。

第1步: 轮询IRQ位
首先，编写代码直接轮询IRQ位，当关心的IRQ位置位后，使处理器进行相应操作。即使主程序循环进行直接轮询，也最好使能中断(各IEN位 = 1和IE = 1)。这样可以通过观察MAX3420E INT引脚来了解其工作情况。这一步有效地取消了微控制器中断系统(和代码)检查，使您能够集中精力实现正确的USB功能。当连续读取EPIRQ和USBIRQ寄存器时，不必担心浪费的SPI周期―这一步的目的是使USB正常工作。

第2步: 轮询INT引脚状态
一旦USB工作正常后，进行第二步，修改程序来轮询MAX3420E INT引脚状态，检查悬挂的中断。如果第1步已经验证了程序，那么在程序主循环中有部分代码一直读取EPIRQ和USBIRQ寄存器，检查悬挂的中断。插入轮询微控制器中断引脚状态(连接在MAX3420E INT引脚上)的语句，修改第1步的连续检查。如果MAX3420E INT引脚未产生中断，可以跳过读取EPIRQ和USBIRQ寄存器的语句。这种简单的检查方式极大地减少了微控制器和MAX3420E之间的SPI数据流量，这是因为只有IRQ位置位时，才对其进行测试。

第3步: 检查微控制器中断程序
第3步也是最后一步，将MAX3420E整合到微处理器的中断系统中。这通常要写一个中断向量，以自动将程序执行位置指向MAX3420E处理程序。