基于ATmega128和CH374的USB接口設計

摘要：針對嵌入式MCU的USB接口需求，提出了以ATmega128為微處理器，采用USB控制器CH374，用SPI串口方式設計了一款USB接口，以解決嵌入式MCU與PC機進行通訊問題。文中介紹了該接口的硬件電路和軟件設計方法，充分利用南京沁恒公司提供的資源，大大降低了軟件設計的難度，提高了工作效率。在1KW碟式斯特林太陽能熱發電裝置中得到了應用，實踐證明，該USB接口工作穩定、可靠，成本較低，取得了良好的應用效果。
關鍵詞：ATmega128；CH374；SPI；USB接口

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，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，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。

ATmega128單片機配置為SPI主機時，SPI接口不自動控制PBO(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COH，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。