基于ATmega128和CH 374的USB接口設計

范偉成，宗 情，朱辰元，彭小方

（上海齊耀動力技術有限公司 上海 201203）

隨著嵌入式系統的發展，嵌入式MCU需要增加USB接口，以便實現與PC機等USB主機系統的通信。針對這樣的需求，解決方案比較多[1-2]，均有一個共同點，都采用PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，該芯片為并行總線接口，占用過多的MCU端口資源，且與MCU的軟件接口編寫復雜，同時芯片價格也不便宜。為此，采用南京沁恒電子有限公司的USB芯片CH374[3]設計了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機通信問題。CH374不僅價格有優勢，該公司還提供了完善的USB驅動程序，且在芯片內部集成了數據緩沖區、被動并行接口、串行接口、命令解釋器、通用的固件程序等，這樣，以CH374設計的USB設備，不需要詳細了解USB通訊協議，開發編程非常方便。

1 系統硬件設計

1.1 系統原理

該系統以ATmega128單片機和CH374接口芯片為核心。ATmega128單片機是基于AVR RISC結構8位低功耗CMOS微處理器，內部帶有128 Kb的系統內可編程FLASH程序存儲器；4 Kb的EEPROM；4 Kb的SRAM；串行外圍設備接口（SPI）；有53個可編程的通用I/O腳，32個通用工作寄存器；有4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數器（T/C）；自帶8通道10位ADC，可選的可編程增益；片內振蕩器的可編程看門狗定時器；與IEEE1149.1規范兼容的JTAG測試接口，可以用于片上調試；6種可以通過軟件選擇的省電模式，采用64引腳TQFP與MLF封裝；峰值運算速度達16 MIPS[4]，非常適合應用在嵌入式系統中。

USB器件采用CH374。該芯片支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設備方式，內置3端口HUB根集線器，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步/等時傳輸。CH374具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線上。在計算機系統中，CH374的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通信就如同讀寫文件，降低了開發難度，除此之外，CH374還提供了節約I/O引腳的SPI串行通訊方式，通過SPI串行接口以及中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU等相連接。系統原理圖如圖1所示。

1.2 硬件電路

CH374通過SPI串行接口以及中斷輸出與單片機連接，以便節約單片機的I/O引腳。CH374芯片的RD#引腳和WD#為低電平（接地）且CS#引腳為高電平（接正電源），則CH374將工作于SPI串口方式。在SPI串口方式下，CH374只需要與ATmega128單片機連接5個信號線：SCS#引腳、SCK引腳、SDI引腳、SDO引腳以及INT#引腳，其它引腳都可以懸空。電路示意圖如圖2所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 Principles of the controlling system

圖2 硬件電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hardware circuits

ATmega128單片機配置為SPI主機時，SPI接口不自動控制PB0（SS#）引腳，必須由用戶軟件在通信開始前進行處理。對SPI數據寄存器寫入數據即啟動SPI時鐘，將8比特的數據移入CH374芯片。CH374的SPI接口支持SPI模式0和SPI模式3，CH374總是從SPI時鐘SCK的上升沿輸入數據，并在允許輸出時從SCK的下降沿輸出數據，數據位順序是高位在前，計滿8位為一個字節。SPI的操作步驟如下：

1）ATmega128產生CH374芯片的SPI片選，低電平有效；

2）ATmega128按SPI輸出方式發出一個字節的地址碼，用于指定其后讀寫操作的起始地址；

3）ATmega128發出一個字節的命令碼指明操作方向，讀操作命令碼是C0H，寫操作命令碼是80H；

4）如果是寫操作，ATmega128發出一個字節的待寫數據，CH374收到并保存到指定地址后地址自動加1，ATmega128繼續發出若干個字節的待寫數據，CH374依次處理，直到ATmega128禁止SPI片選；

5）如果是讀操作，CH374從指定地址讀出一個字節數據并輸出后地址自動加1，ATmega128收到數據并保存，CH374繼續從下一個地址讀出數據并輸出，直到ATmega128禁止SPI片選；

6）ATmega128禁止CH374芯片的SPI片選，以結束當前SPI操作。

2 系統軟件設計

軟件開發采用ATMEL公司的AVR STUDIO 3.53集成開發環境，包括：AVR ASSEMBLER編譯器、AVR STUDIO調試功能、AVR PROG串行、并行下載功能、JTAG ICE仿真功能，本設計采用的是JTAG ICE仿真調試。軟件設計主要包括固件程序設計、應用程序設計和驅動程序設計3個部分。

2.1 固件程序設計

CH374內置了USB通信中的底層協議，因此單片機程序非常簡潔。在外置固件模式下，在完成CH374的初始化工作后，由外部單片機根據需要自行處理各種USB請求，從而完成USB總線連接過程。初始化CH374主要完成USB設備的枚舉，CH374初始化程序的程序如下：

2.2 應用程序設計

CH374在計算機端提供了應用層接口，應用程序的設計可根據用戶的需求進行適當調整。應用層接口是由CH374動態鏈接庫 DLL提供的面向功能應用的 API，包括設備管理API、數據傳輸 API和中斷處理 API[5]。

設備管理API主要包括:1）打開、關閉設備；2）獲取 USB設備，配置描述符；3）復位U SB設備。數據傳輸API主要包括:1）讀取數據塊；2）寫出數據塊。中斷處理API主要包括:1）讀取中斷數據；2）設定中斷服務程序。

使用這些API函數，可以很容易地開發出與硬件電路相配套的應用軟件，CH374與計算機連接的上位機總體程序流程圖如圖3所示。

2.3 USB驅動程序設計

USB驅動程序可以采用WDM（Windows Driver Mode）模式設計。WDM驅動程序采用靈活的分層驅動方法，在用戶和物理設備之間存在著幾個不同的驅動程序層次，且各層上的WDM驅動程序具有不同優先級。利用WDM設計的驅動程序可根據用戶的需要調整，靈活性好，但需要了解操作系統原理及相關硬件工作細節，而且工作量較大[6]。所以，USB驅動程序設計采用CH374芯片廠家提供的通用驅動程序，直接下載后安裝即可，大大降低了開發的難度。

3 應用結果

圖3 上位機總體流程圖Fig.3 Process diagram of the upper-computer

文中所設計的USB接口在1kW碟式斯特林太陽能熱發電裝置中得到了應用，實現對太陽高度角和方位角的跟蹤，系統結構如圖4所示。該發電裝置對太陽的跟蹤采用視日運動軌跡法，所需要的太陽赤緯度角δ、緯度角δ和時角δ由計算機通過USB接口芯片CH374寫入ATmega128單片機，然后單片機通過一套計算公式計算出太陽的位置，即實際時刻太陽所在高度角和方位角，輸出一定的脈沖數，驅動伺服電機轉動，使發電裝置轉到要求的位置，實現對太陽的跟蹤。同時，通過CH374把整個發電裝置的狀態數據發給計算機，在計算機顯示，以便實現人機對話，為今后在25 kW碟式斯特林太陽能熱發電系統的研制打下基礎。實踐證明，該USB接口工作穩定、可靠，成本較低，完全能夠滿足碟式斯特林太陽能熱發電裝置的控制指標要求，取得了良好的應用效果。

圖4 1 kW碟式斯特林太陽跟蹤系統結構圖Fig.4 1 kW dish/Stirling tracking system block diagram

4 結束語

以ATmega128和CH374為核心，通過SPI串口通訊方式設計了一款USB接口，系統硬件簡單，不需要編寫復雜的USB驅動程序，利用其動態鏈接庫即可實現USB與PC的通信，研發簡單，易于實現。該設計在實際項目中投入了使用，效果良好，具有一定的設計參考價值。

[1]吳德會，石俊.基于USB的無線數據采集系統設計[J].微電子學與計算機，2005，22 （12）:135-138.WU De-hui，SHI Jun.Design of wireless data acquisition system based on USB[J].Microelectronics Elements， 2005，22（12）:135-138.

[2]張洪，董秀成.基于AVR單片機的通用USB接口模塊設計[J].電子設計工程，2008（5）:18-21.ZGANG Hong，DONG Xiu-cheng.Design of general USB interface module based on AVR microcontroller[J].Electronic Design Engineering，2008（5）:18-21.

[3]Nanjing QinHeng Electronics Products.CH374DS1 Datasheet[EB/OL].（2008-12-18）[2011-11-11].http://www.wch.cn/download/CH374DS1.pdf.

[4]陳冬云，杜敬倉，任柯燕.ATmega128單片機原理與開發指導[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]楊應平，石城，李振華，等.基于CH372接口芯片的USB高速數據采集系統 [J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2006，28（8）：9-11.YANG Ying-ping，SHI Cheng，LI Zhen-hua， et al.USB highspeed data acquisition system based on CH372[J].Journal of Wuhan University of Technology:Information&Management Engineering，2006，28（8）：9-11.

[6]夏布禮，丁克勤.基于USB接口多點溫度采集系統的設計[J].電子設計工程，2009，17（3）：40-42.IA Bu-li，DING Ke-qin.Design of multi-point temperature acquisition system based on USB serial-port[J].Electronic Design Engineering， 2009，17（3）:40-42.