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基于DSP平台的USB接口设计方案解析
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2017-10-26
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USB接口（Universal Serial Bus）是一种通用的高速串行接口。它最主要的特点是它的高速传输特性。USB1.1理论速度极限可以达到12Mb/s，USB2.0可达到 480Mb/s。这样，它可以很好解决大数据量的数据在嵌入式系统与PC机之间的互传问题；同时，它支持热插拔，并且最多同时支持127个外设，非常适合嵌入式系统的应用。
本次设计是在一个已有的DSP图像采集嵌入式系统的基础上，为它配接上一个USB1.1的接口，以达到DSP图像采集系统高速地将图像数据回传到PC机中的目的。设计的要求主要有：
①在原有平台提供的接口基础上，加入一个低成本、高速度的USB接口；
②通过USB接口，实现PC机对DSP图像采集系统的操作与控制；
③实现图像数据在DSP摄像系统与PC机之间高速的双向传输。
基于以上几点可以看出，本方案最主要的特点是成本低廉且传输速度高。
1 硬件方案选择与设计
1.1 方案选择
对于基于DSP平台的USB接口设计，经过综合考虑了几种方案之后决定，采用一个不带MCU内核的USB接口芯片PDIUSBD12（成 本非常低，一片PDIUSBD12的价格仅为20元），再加上简单的外围电路和时序调整电路。
这种芯片仅仅完成USB底层的数据链路级交换，并提供给本地微控制器一个并行的接口，但是它并不完成协议层的工作。协议层的工作需要对微控制器 编程，控制USB接口芯片来实现USB协议。所以，开发难度相对来说大一些，要做的编程工作也多一点。但是这套方案的成本非常低，而且由于直接用DSP作 为微控制器，没有原单片机的瓶颈限制，所以可以实现很高的数据传输速率。该系统的原理框图如图1所示。
图1 该系统的原理框图
由于PDIUSBD12的并行接口时序较慢，只能达到2MB/s。这个速度相对于DSP来说比较低，而且有些地方不是简单地在程序中加入延时就 可以调整，所以需要一个时序调整电路来完成它们之间的配合。
1.2 PDIUSBD12芯片
PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一种USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作电压下；具有8位数据总线，且有完全自治的DMA传输操作。它还具有可控制的软件连接（SoftConnect）功能，可以保证在微控制器可靠完成初始化之后再连接上USB总 线。另外，它还有一个LED驱动脚，可以外接LED来监测USB的枚举过程和数据传输过程。当USB接口枚举完成，并且成功配置以后，LED将会一直点亮；而在枚举过程以及USB数据通信过程中，LED只是有节奏地闪烁。
PDIUSBD12只占用微控制器的两个地址资源。也就是说，它只有一根地址线。其中一个地址用来向芯片中写命令，另外一个地址用来向燕片中写 数据或者从芯片中读取数据。
PDIUSBD12一共有三组端点：端点0完成控制传输；端点1可以配置成中断传输；端点2是主要的数据传输端点。它有64B的缓冲区，如果加上它的双缓冲机制，就有128B的缓冲区；它可以配置成批量传输模式，或者同步传输模式。
总的来说，PDIUSBD12是一款性能优异，价格相对软低的USB接口芯片。
1.3 时序芯片
为了降低成本、简化电路，本方案不使用DMA传输方式，而以TI公司的TMS320C2XX作为微控 制器（使用20MHz晶振）。它的并口速度非常高，远远高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此处是硬件设计最关键的地方。
经过详细的时序分析发现，大部分问题可以通过在DSP固件设计的加入延时，或者设置DSP的WSGR寄存器来解决。但是有一个问题，必须在硬件 上加以解决。图2是DSP（TMS320C2XX）的写时序。
本次设计是在一个已有的DSP图像采集嵌入式系统的基础上，为它配接上一个USB1.1的接口，以达到DSP图像采集系统高速地将图像数据回传到PC机中的目的。设计的要求主要有：
①在原有平台提供的接口基础上，加入一个低成本、高速度的USB接口；
②通过USB接口，实现PC机对DSP图像采集系统的操作与控制；
③实现图像数据在DSP摄像系统与PC机之间高速的双向传输。
基于以上几点可以看出，本方案最主要的特点是成本低廉且传输速度高。
1 硬件方案选择与设计
1.1 方案选择
对于基于DSP平台的USB接口设计，经过综合考虑了几种方案之后决定，采用一个不带MCU内核的USB接口芯片PDIUSBD12（成 本非常低，一片PDIUSBD12的价格仅为20元），再加上简单的外围电路和时序调整电路。
这种芯片仅仅完成USB底层的数据链路级交换，并提供给本地微控制器一个并行的接口，但是它并不完成协议层的工作。协议层的工作需要对微控制器 编程，控制USB接口芯片来实现USB协议。所以，开发难度相对来说大一些，要做的编程工作也多一点。但是这套方案的成本非常低，而且由于直接用DSP作 为微控制器，没有原单片机的瓶颈限制，所以可以实现很高的数据传输速率。该系统的原理框图如图1所示。
图1 该系统的原理框图
由于PDIUSBD12的并行接口时序较慢，只能达到2MB/s。这个速度相对于DSP来说比较低，而且有些地方不是简单地在程序中加入延时就 可以调整，所以需要一个时序调整电路来完成它们之间的配合。
1.2 PDIUSBD12芯片
PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一种USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作电压下；具有8位数据总线，且有完全自治的DMA传输操作。它还具有可控制的软件连接（SoftConnect）功能，可以保证在微控制器可靠完成初始化之后再连接上USB总 线。另外，它还有一个LED驱动脚，可以外接LED来监测USB的枚举过程和数据传输过程。当USB接口枚举完成，并且成功配置以后，LED将会一直点亮；而在枚举过程以及USB数据通信过程中，LED只是有节奏地闪烁。
PDIUSBD12只占用微控制器的两个地址资源。也就是说，它只有一根地址线。其中一个地址用来向芯片中写命令，另外一个地址用来向燕片中写 数据或者从芯片中读取数据。
PDIUSBD12一共有三组端点：端点0完成控制传输；端点1可以配置成中断传输；端点2是主要的数据传输端点。它有64B的缓冲区，如果加上它的双缓冲机制，就有128B的缓冲区；它可以配置成批量传输模式，或者同步传输模式。
总的来说，PDIUSBD12是一款性能优异，价格相对软低的USB接口芯片。
1.3 时序芯片
为了降低成本、简化电路，本方案不使用DMA传输方式，而以TI公司的TMS320C2XX作为微控 制器（使用20MHz晶振）。它的并口速度非常高，远远高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此处是硬件设计最关键的地方。
经过详细的时序分析发现，大部分问题可以通过在DSP固件设计的加入延时，或者设置DSP的WSGR寄存器来解决。但是有一个问题，必须在硬件 上加以解决。图2是DSP（TMS320C2XX）的写时序。
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