基于MAX3420的USB控制器接口設計

　　目前，USB接口的使用越來越廣泛，許多設備上都提供了USB接口。傳統的USB控制器需要使用包括數據線和控制線在內的十多根線，占用了大量的CPU資源。而現代設備正在向體積小、功能強的方向發展，CPU更是要求表貼封裝，功耗低，其自身資源非常有限，所以在擴展接口方面必須要盡可能少地占用已有芯片資源。本文介紹了如何使用MAX3420進行USB接口擴展。MAX3420提供了SPI接口，只需3～4根線便可實現USB接口。

　　1 MAX3420簡介

　　MAX3420是Maxim公司推出的一款全速USB外設，包括必要的數字邏輯和模擬電路，支持USB2.O協議。MAX3420內建全速收發器，支持±15kV的ESD保護，可以編程控制USB總線的連接和斷開;內含的串行接口引擎可以控制底層的USB協議細節，如錯誤校驗和總線重連接。 MAX3420通過SPI接口操作其內部寄存器，工作頻率為26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根線便可增加USB功能。

　　2 MAX3420的外圍電路

　　作為一款全速USB外設，MAX3420的外圍電路并不復雜，如圖1所示，圖中采用USB自身供電方式，右上角的3.3V穩壓器表示產生3.3 V電壓、為CPU供電的電壓轉換芯片，常用的有AS2830、LMlll7等。與CPU連接的引腳共有6個，其名稱和功能如表l所列。其中，USB配置必需的引腳是SCLK、SS和MISO三個。芯片的供電電壓為0～4 V，可以采用3.3 V供電;采用12 MHz晶振，內部鎖相環進行4倍頻;還提供了4個通用輸出口和4個通用輸入口，便于CPU的I/O口擴展。

　　帶有SPI接口的CPU，與MAX3420的接口十分方便;如果不帶SPI接口，則也可用I/O口來實現SPI的功能。圖2為CPU與MAX3420的接口原理圖。

　　3 MAX3420的工作方式

　　MAX3420的SPI接口可工作于以下兩種工作方式：全雙工方式(MOSI輸入/MISO輸出)和半雙工方式(MOSI輸入/輸出)。

　　3.1 全雙工方式

　　全雙工方式下的讀操作：

　　①SS為高，MAX3420未選中，MISO為高阻態。

　　②當SCLK為靜止態時，SS了，低，MAX3420選中;打開MISO輸出緩沖，將要發送數據的最高位送到MISO輸出。

　　③SPI主方式下，首先的8個時鐘脈沖將命令由MOSI發送;MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態位。

　　④8個時鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作，MISO輸出高阻態。在SCLK下降沿，下一個輸出數據的最高位在MISO順序輸出。

　　全雙工方式下的寫操作：

　　①SPI主方式下設置時鐘為靜止態，SS為高。

　　②SS為低，將要寫的數據的最高位放到MOSI輸入。

　　③SPI主方式下.首先的8個時鐘脈沖將命令由MOSI發送;MISO在SCLK上升沿輸出USB狀態位。

　　④8個時鐘脈沖以后，SS為高，MAX3420停止工作。

　　全雙工方式下的讀/寫時序圖如圖3所示。

　　3.2 半雙工方式

　　半雙工方式下MISO為高阻態，MOSI為雙向。由于只有一根線，因此半雙工方式下USB狀態位不再有效。半雙工方式下的讀/寫操作：

　　①SS為高，MAX3420未選中，MOSI可以為任意值。

　　②當SCLK為靜止態時，SS為低，MAX3420選中;將要寫的數據的最高位送到MOSI輸入。

　　③SPI主控制器打開輸出驅動，首先的8個時鐘脈沖將命令在SCLK上升沿由MOSI發送;8個時鐘脈沖后，SS為高。

　　④如果要寫SPI數據，則SPI主控制器保持打開輸出驅動，在SCLK脈沖下，順序將數據位送到MOSI引腳;如果要讀SPI數據，則在8個時鐘脈沖后，SPI主控制器關閉輸出驅動，開始從MOSI按時鐘脈沖讀入數據。

　　⑤SS為高.MAX3420停止工作。

　　半雙工方式下的讀/寫時序圖如圖4所示。

　　4 USB程序流程

　　MAX3420共有4個端點，即EP0～EP3。其中：EP0為64字節的雙向控制端點;EPl為2×64個字節的雙緩沖、批處理/中斷輸出端點;EP2 為2×64個字節的雙緩沖、批處理/中斷輸入端點;EP3為64字節的批處理/中斷輸入端點。EPO主要用于枚舉過程中發送命令，EP1和EP2主要用于完成大批量數據的收發。如圖5所示，USB2.0協議由硬件接入層、中間層及上層應用3部分構成。其中：硬件接入層是與CPU緊密聯系的，其他兩層是與硬件無關的。硬件接入層主要實現了兩個函數outport()和inport()。這兩個函數是整個USB協議在硬件上運行的基礎，只要在硬件接入層針對不同的CPU和MAX3420實現了這兩個函數，便可以保證USB接口的正常工作。

　　本文以PICl8F2520和MAX3420為例，在全雙工方式下說明以上兩個函數的示意性代碼。

　　void outport(unsigned char port，unsigned char value){

　　使能CPU的SPI模式;

　　設置CUP的SPI為主共和方式，MAX3420的SPI為從工作方式;

　　使能CPU的SPI模式;

　　設置CPU的SPI為主工作方式，MAX3420的SPI為從工作方式;

　　USB2.0協議規定USB接口工作于被動工作方式，協議中間層主要包括總線重連接、EP0收發和中斷處理等幾部分，其工作流程如圖6所示。協議上層應用程序由程序員按照規范根據具體需要編寫。

　　5 總 結

　　將MAX3420用于汽車車載故障診斷儀的USB接口設計，實際傳輸速率可達20 Mbps左右，完全可以滿足對汽車總線上傳輸數據的實時采集要求;總共占用CPU的6個引腳，用于與MAX3420的控制、數據接口，實際使用效果良好。