DSP平臺的USB接口設(shè)計

引言
USB接口（Universal Serial Bus）是一種通用的高速串行接口。它最主要的特點是它的高速傳輸特性。USB1.1理論速度極限可以達到12Mb/s，USB2.0可達到 480Mb/s。這樣，它可以很好解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)在嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的互傳問題；同時，它支持熱插拔，并且最多同時支持127個外設(shè)，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應用。
本次設(shè)計是在一個已有的DSP圖像采集嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為它配接上一個USB1.1的接口，以達到DSP圖像采集系統(tǒng)高速地將圖像數(shù)據(jù)回傳到PC機中的目的。設(shè)計的要求主要有：
①在原有平臺提供的接口基礎(chǔ)上，加入一個低成本、高速度的USB接口；
②通過USB接口，實現(xiàn)PC機對DSP圖像采集系統(tǒng)的操作與控制；
③實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在DSP攝像系統(tǒng)與PC機之間高速的雙向傳輸。
基于以上幾點可以看出，本方案最主要的特點是成本低廉且傳輸速度高。

1 硬件方案選擇與設(shè)計
1.1 方案選擇
對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計，經(jīng)過綜合考慮了幾種方案之后決定，采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBD12（成本非常低，一片PDIUSBD12的價格僅為20元），再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路。
這種芯片僅僅完成USB底層的數(shù)據(jù)鏈路級交換，并提供給本地微控制器一個并行的接口，但是它并不完成協(xié)議層的工作。協(xié)議層的工作需要對微控制器編程，控制USB接口芯片來實現(xiàn)USB協(xié)議。所以，開發(fā)難度相對來說大一些，要做的編程工作也多一點。但是這套方案的成本非常低，而且由于直接用DSP作為微控制器，沒有原單片機的瓶頸限制，所以可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
由于PDIUSBD12的并行接口時序較慢，只能達到2MB/s。這個速度相對于DSP來說比較低，而且有些地方不是簡單地在程序中加入延時就可以調(diào)整，所以需要一個時序調(diào)整電路來完成它們之間的配合。

圖2 TMS320C2XX寫時序
1.2 PDIUSBD12芯片
PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一種USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作電壓下；具有8位數(shù)據(jù)總線，且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接（SoftConnect）功能，可以保證在微控制器可靠完成初始化之后再連接上USB總線。另外，它還有一個LED驅(qū)動腳，可以外接LED來監(jiān)測USB的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。當USB接口枚舉完成，并且成功配置以后，LED將會一直點亮；而在枚舉過程以及USB數(shù)據(jù)通信過程中，LED只是有節(jié)奏地閃爍。
PDIUSBD12只占用微控制器的兩個地址資源。也就是說，它只有一根地址線。其中一個地址用來向芯片中寫命令，另外一個地址用來向燕片中寫數(shù)據(jù)或者從芯片中讀取數(shù)據(jù)。
PDIUSBD12一共有三組端點：端點0完成控制傳輸；端點1可以配置成中斷傳輸；端點2是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點。它有64B的緩沖區(qū)，如果加上它的雙緩沖機制，就有128B的緩沖區(qū)；它可以配置成批量傳輸模式，或者同步傳輸模式。
總的來說，PDIUSBD12是一款性能優(yōu)異，價格相對軟低的USB接口芯片。
1.3 時序芯片
為了降低成本、簡化電路，本方案不使用DMA傳輸方式，而以TI公司的TMS320C2XX作為微控制器（使用20MHz晶振）。它的并口速度非常高，遠遠高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此處是硬件設(shè)計最關(guān)鍵的地方。
經(jīng)過詳細的時序分析發(fā)現(xiàn)，大部分問題可以通過在DSP固件設(shè)計的加入延時，或者設(shè)置DSP的WSGR寄存器來解決。但是有一個問題，必須在硬件上加以解決。圖2是DSP（TMS320C2XX）的寫時序。
圖2中，參數(shù)th(W-D)是指在WE信號變高（無效）以后，所寫的數(shù)據(jù)將仍然保持有效的時間。這個值最小為3ns，最大為14ns，所以所寫的數(shù)據(jù)在WE信號無效以后還會維持有效，大約3～14ns（實際的延時介于這兩個值之間）。