基于Blackfin 533 SPORTs口的USB主从接口设计

摘要 采用SPI接口协议实现了SPORTs口与CH376的通信。描述了一种基于USB主从接口芯片CH376与Blackfin533的通信设计方案，包括SPORTs口的接口配置、USB模块的硬件设计、驱动程序、CH376芯片的驱动程序等。实现了DSP对USB存储设备的读写访问，以及计算机与DSP的通信，实验表明，整个设计可实现对U盘的快速读写，并方便与PC机进行通信。
关键词 SPORTs；SPI；CH376；USB

1 设计原理
    模块主要实现DSP与计算机的通信及数据的存储。基于DSP的USB主从双向通信设计方案，通过ADSP BF533 SPORTs模拟SPI口，完成ADSP与CH376的通信，实现DSP与PC机、DSP与U盘的双向通信以及两种方式的自由切换，图1为系统总体框图。

2 芯片介绍
2．1 CH376芯片
    CH376是南京沁恒公司生产的一种文件管理控制芯片。CH376支持USB设备方式和USB主机方式，且内置了USB通讯协议的基本固件、处理Mass—Storage海量存储设备的专用通讯协议固件、SD卡的通讯接口固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备和SD卡。
    CH376支持3种通讯接口：8位并口、SPI接口或异步串口。单片机／DSP／MCU／MPU等控制器可通过上述通讯接口控制CH376芯片，存取U盘和SD卡中的文件或与计算机通讯。
2．2 ADSP—BF533芯片
    ADSP—BF533处理器是Blackfin系列产品之一，是为满足嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和低功耗条件而设计的新型16位嵌入式处理器。其基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构(MicroSignalArchitecture，MSA)，将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性相组合。ADSP—BF533处理器具有丰富的外设资源，包括一个UART口、一个SPI口、两个串行口(SPORTs)和PF口等。

    Blackfin533有两个相同的同步串口SPORT0和SPORT1。这两个串口支持各种串行数据通信协议。图2是SPORT的简化框图。将要发送的数据，从内部寄存器写入SPORT、的存储器映射寄存器SPORTx_TX中。根据选择，此数据可由硬件进行压扩后自动传送至移位寄存器，也可不执行硬件压扩。移位寄存器的位从SPORT的DT引脚移出，最高位或最低位在前均可，并与TCLK引脚的时钟同步。SPORT的接收部分从DR接收数据，并与串行时钟同步。接收一个完整字后，数据展开的同时自动传送到SPORT的存储器映射寄存器SPORTx_TX中，该寄存器可被处理器访问。

3 硬件设计
    CH376总是从SPI时钟SCK的上升沿输入数据，而允许输出是从SCK的下降沿输出数据，数据位顺序是高位在前，记满8位1Byte。DSP按SPI输出方式发出1 Byte数据，CH376将SPI片选SCS有效后收到的首个字节当作命令码，后续字节当做数据。写操作时，DSP向CH376发出1 Byte的待写数据，等待SPI接口空闲后，DSP继续发出若干个字节的待写数据，CH376依次接受，直到DSP禁止SPI片选；读操作时，DSP从CH376接收1 Byte数据，等待SPI接口空闲后，DSP继续从CH376接收若干个字节的数据，直到DSP禁止SPI片选。图3是SPI接口的逻辑时序图，前一个发出命令12H并写入数据34H，后一个是发出命令28H并读出数据78H。

    为实现DSP的USB主从双向通信设计方案，现将DSP的SPORTs接口模拟SPI接口并与支持SPI接口通信模式的设备进行通信。主模式下SPI接口需要4个信号：数据输入(MISO)，数据输出(MOSI)，时钟(SCK)和片选(／SPISS)。这4个信号其中有3个和SPORTs接口相对应：(1)MOSI对应SPORTs口的传输引脚(DTxPRI)。(2)MISO对应SPORTs口的接受引脚(DRxPRI)。(3)SCK对应SPORTs口的时钟引脚(TSCLKx／RSCLKx)。  
    SPI接口中未与SPORTs接口对应的引脚信号就是片选信号。片选信号(／SPISS)在SPI接口中用作时钟SCK的选通。作为一个SPI从设备，只有片选／SPISS被拉低，响应才在时钟信号SCK的边沿发生，一旦设备被使能通信开始，SPORTs主接口就会产生一个持续的时钟。要将SPORTs口模拟SPI口，正确的时序和片选／SPISS信号是重点。TFS被配置成低时，同一周期内数据被放置在SPORTs的发送引脚DTxPRI上，且在数据的传输过程中TFS信号始终被拉低，直到新的数据开始传输，这恰好与SPI接口的／SPISS信号一致。反之作为从模式下，也一样。因此用SPORTs接口的同步时序信号模拟／SPISS片选信号即可满足要求。硬件连接如图4所示。

    系统硬件电路如图5所示，系统将CH376配置为串行通信方式，使用SPORT1口，DSP主模式时，数据流通过Blackfin533的SPORT1口，经上述配置方式模拟SPI通信方式与CH376模块SPI口进行通信，在经过外部USB端口时CH376以USB—HOST的方式来访问U盘，反之，DSP从模式时，PC机通过USB端口，CH376以USB—SLAVE的方式与Blackfin533进行通信。

    CH376芯片的SCS引脚由DSP的SPORT口帧同步引脚TFS和RFS驱动，SCK由DSP得SPORT发送和接受时钟输出引脚TSCLK和RSCLK驱动，SDI引脚由DSP得SPORT数据输出引脚DTxPRI驱动，SDO引脚则连接到DSP的SPORT数据输入引脚DRxPRI。
    CH376芯片的配置，电容C2用于内部电源节点退耦从而降低USB传输过程中的EMI，晶体X1是振荡电路，用于向CH376提供系统时钟信号，P1是USB端口，电阻R1用于限制输出给外部USB设备的电流，C1主要用于减少在USB设备刚插入时的电源电压纹波。关于Blackfin533的外围电路配置可参考ADI官方设计手册。

4 软件设计
    CH376S对U盘的读写分为扇区模式和字节模式两种。扇区模式以扇区为单位，对U盘文件进行读写，其读写速度快，但通常需要额外的缓冲区。字节模式以字节为单位对U盘文件进行读写，读写速度慢，通常用作小数据量的读写，但使用较为方便。

    系统软件流程如图6所示，DSP判断用户选择写U盘操作或上位机操作。当选择读取U盘操作时，首先初始化CH376芯片，通过循环不断检测U盘是否连接就绪，U盘就绪后，创建文件名，并将数据写入文件，同时关闭文件，进入到开始。当选择上位机操作，通过USB数据线，将系统连入PC机，首先初始化CH376芯片，DSP判断上位机软件是否发出操作命令，若发出的是命令控制字，则执行相应的操作，并继续判断上位机是否发出命令字；若发出的命令是交出控制权，则系统恢复本地控制，并进入到开始。

5 实验测试
    整个系统设计的测试主要分为U盘测试和上位机测试。

    选择USB从接口模式，测试工具为USB设备CH372或CH375调试工具，由于在上位机程序中定义#define uREAD_DATA 0x80，所以在调试工具中，设置端口下传数据为接收数据命令即80。实验结果表明，在端点上传中成功接收0～3F，共64个数据。实验结果如图7所示。

6 结束语
    设计从硬件和软件两方面对基于ADSP-Blackfin533 SPORTs口的USB主从接口设计进行了详细论述，其具有传输速度快、结构简单、操作方便及传输数据量大等优点。经测试，性能稳定可靠，可广泛应用于各种实际场合。