* 基 于 Nios II 处 理 器 的 USB 接 口 设 计 * 项 目 基 金 : 获 中 韩 合 作 项 目 Development of Embedded Software and System for Automobile Electronics 的 资 助 ; 重 庆 市 科 技 攻 关 计 划 项 目 面 向 汽 车 ABS 嵌 入 式 系 统 的 专 用 开 发 平 台 及 其 应 用 基 金 资 助, 项 目 编 号 CSTC2006AB2026 ; 王 蒙 1 徐 洋 1 林 基 郁 2 王 平 (1 重 庆 邮 电 大 学 重 庆 市 网 络 控 制 技 术 与 智 能 仪 器 仪 表 重 点 实 验 室 重 庆 400065; 2 韩 国 鲜 文 大 学 嵌 入 式 软 件 研 究 中 心 韩 国 ) 摘 要 : 本 文 以 Nios II 嵌 入 式 软 处 理 器 为 核 心, 利 用 USB 控 制 芯 片 CH372, 设 计 了 基 于 Nios II 嵌 入 式 软 处 理 器 的 USB 通 信 接 口 本 文 重 点 介 绍 了 USB 接 口 的 硬 件 实 现 方 案, 分 析 了 CH372 的 通 信 流 程, 并 编 写 了 下 位 机 和 上 位 机 PC 的 通 信 程 序 与 传 统 的 嵌 入 式 设 计 方 案 相 比, 该 方 案 的 整 体 性 更 好, 具 有 很 强 的 扩 展 性 和 灵 活 性, 降 低 了 软 件 的 开 发 成 本 以 及 硬 件 实 现 风 险 关 键 词 :Nios II;CH372; 嵌 入 式 处 理 器 ; 可 编 程 片 上 系 统 中 图 分 类 号 :TP393.03 文 献 标 志 码 :B 1 Design of USB Interface Based on Nios II WANG Meng 1 XU Yang 1 Rim Kee-wook 2 WANG Ping 1 (1 Key Lab Of Network Control Technology & Instrument,Chongqing University of Posts & Telecommunications,Chongqing 400065,China; 2 Embedded S/W Development Environment Reasearch Center,Daebul University,Korea) Abstract:An USB Interface based on the Nios II soft-core and the USB controller chip-ch372 was designed. The hardware design was provided in a detailed way and the communications flow was analysed. At the same time, the software was also given between the controller and the PC. Compared with the traditional project,this design has a strong expansibility and agility. It also reduces the cost that used to develop the software and the risk in the course of the hardware development. Key words: Nios II;CH372;Embedded processor;system On Programmable Chip 1 引 言 高 速 化 便 携 化 成 为 科 学 仪 器 的 设 计 发 展 方 向. 而 通 用 串 行 总 线 USB 接 口 技 术 以 其 使 用 方 便 速 度 快 成 本 低 等 特 点, 为 用 户 和 设 计 者 青 睐, 大 大 促 进 了 科 学 仪 器 在 此 方 向 上 的 发 展 目 前 工 业 控 制 及 教 学 实 验 科 研 中 经 常 用 到 的 数 据 传 输 系 统, 也 越 来 越 多 的 使 用 USB 接 口 与 主 机 相 连 本 设 计 主 要 以 Nios II 嵌 入 式 软 处 理 器 为 核 心, 它 是 一 个 32 位 的 处 理 器 提 供 了 USB 接 口 具 体 的 软 硬 件 设 计 方 案 采 用 的 FPGA(Field Programmable Gate Array) 器 件 是 Altera 公 司 的 Cyclone II 系 列 EP2C20Q, 嵌 入 式 USB 控 制 芯 片 是 南 京 沁 恒 公 司 生 产 的 CH372, 实 现 了 USB 的 通 信 设 计 2 系 统 结 构 设 计 本 文 设 计 的 USB 接 口 用 于 汽 车 行 业 中 硬 件 在 回 路 仿 真 系 统 与 上 位 PC 机 的 数 据 传 输 硬 件 在 回 路 仿 真 系 统 的 功 能 是 对 新 开 发 的 汽 车 防 抱 死 制 动 系 统 (Antilock Braking System,( 简 称 ABS)) 的 电 控 单 元 (ECU) 的 性 能 指 标 进 行 测 试 系 统 结 构 如 图 1 所 示 系 统 内 运 行 汽 车 动 力 学 模 型, 读 取 来 自 汽 车 ABS 电 子 控 制 单 元 (ECU) 的 数 据, 进 行 处 理, 并 实 时 改 变 轮 子 的 速 度 轮 速 的 改 变 通 过 PWM 模 块 输 出 至 ECU,ECU 根 据 当 前 的 轮 速 发 出 相 应 的 数 据 如 此 循 环, 完 成 整 个 模 型 在 刹 车 过 程 中 的 仿 真 硬 件 在 回 路 仿 真 器 在 整 个 仿 真 过 程 中 的 数 据 通 过 USB 接 口 发 送 至 上 位 PC 机 进 行 存 储 显 示 ; 上 位 PC 机 可 以 通 过 USB 接 口 修 改 汽 车 动 力 学 模 型 的 各 项 参 数 系 统 主 要 包 括 以 下 几 个 模 块 : CycloneII 系 列 FPGA, 型 号 为 EP2C20Q, 有 18752 个 LEs,239616 bits 的 RAM, 4 个 PLLs. 在 其 内 部 配 置 Nios II 软 核 处 理 器 ;
EPCS16, 串 行 flash 主 要 存 放 硬 件 的 配 置 信 息 和 程 序 代 码, 断 电 后 可 以 保 存 数 据 ; SRAM 采 用 双 片 IDT 公 司 的 IDT71V416, 系 统 在 SRAM 内 运 行 程 序 ; USB Interface 提 供 了 与 外 部 USB 控 制 芯 片 CH372 的 接 口 ; 在 SOPC Builder 中 添 加 Avalon Tri-State Bridge, 它 实 现 了 SRAM,USB Interface 与 CPU 内 部 Avalon 总 线 的 连 接 [1] ; I/O 口 接 受 来 自 ECU 的 控 制 信 号 ; PWM 模 块 根 据 本 次 仿 真 后 的 轮 子 速 度 发 送 相 应 频 率 的 方 波 信 号 至 ECU 如 图 1 所 示, 系 统 通 过 PLL 锁 相 环 把 外 部 输 入 时 钟 倍 频 到 所 需 的 80.0MHZ; 通 过 I/O 口 与 其 他 设 备 交 换 需 要 处 理 的 数 据, 把 处 理 过 后 的 数 据 通 过 CH372 传 递 给 上 位 机 PC 机 显 示 EP2C20Q240C8 PLL NiosII 软 核 处 理 器 定 时 器 SRAM AVALON 总 线 Epcs 16 USB Interface PWM I/O ECU CH372 PC 图 1 系 统 结 构 功 能 图 3 USB 接 口 的 硬 件 设 计 CH372 是 一 个 USB 总 线 的 通 用 接 口 芯 片, 是 同 类 产 品 CH375 的 功 能 简 化 版 本, 内 置 了 USB1.1 通 讯 中 的 底 层 协 议, 提 供 一 对 主 端 点 和 一 对 辅 助 端 点. 支 持 控 制 传 输 批 量 传 输 和 中 断 传 输 CH372 支 持 SLAVE 设 备 方 式 (CH375 还 支 持 HOST 主 机 方 式 及 其 模 式 下 的 串 行 通 讯 方 式 ) 在 本 地 端,CH372 具 有 8 位 数 据 总 线 和 读 写 片 选 控 制 线 以 及 中 断 输 出, 可 以 方 便 地 挂 接 至 MCU 的 系 统 总 线 上 并 且 CH372 所 需 外 围 电 路 十 分 简 单, 只 需 要 一 个 晶 振 和 两 个 电 容, 芯 片 的 D+ D- 引 脚 可 直 接 与 计 算 机 USB 接 口 的 D+ D- 信 号 线 相 连 CH372 内 部 集 成 了 USB 接 口 SIE 数 据 缓 冲 区 被 动 并 行 接 口 命 令 解 释 器 电 压 调 整 器 控 制 传 输 的 协 议 处 理 器 通 用 的 固 件 程 序 等 芯 片 内 部 设 置 了 5 个 物 理 端 点 : 端 点 0 是 默 认 端 点. 支 持 上 传 和 下 传, 上 传 和 下 传 缓 冲 区 各 为 8 个 字 节 ; 端 点 1 包 括 上 传 端 点 和 下 传 端 点, 每 个 端 点 缓 冲 区 为 8 个 字 节 ; 端 点 2 也 包 括 上 传 端 点 和 下 传 端 点, 每 个 缓 冲 区 为 64 个 字 节 芯 片 具 有 两 种 工 作 模 式 : 内 置 固 件 模 式 和 外 置 固 件 模 式 内 置 固 件 模 式 下 屏 蔽 了 相 关 的 USB 协 议. 芯 片 自 动 完 成 标 准 的 USB 枚 举 配 置 过 程. 完 全 不 需 要 本 地 端 的 MCU 做 任 何 处 理, 并 且 CH372 自 动 处 理 默 认 端 点 0 的 所 有 事 务. 端 点 1 的 下 传 端 点 被 禁 止. 端 点 1 的 上 传 端 点 为 中 断 端 点. 端 点 2 的 上 传 端 点 作 为 批 量 数 据 发 送 端 点, 端 点 2 的 下 传 端 点 为 批 量 数 据 的 接 受 端 点, 本 地 端 的 MCU 只 是 负 责 数 据 交 换 : 在 外 置 固 件 模 式 下, 由 外 部 MCU 根 据 需 要 自 行 处 理 各 种 USB 请 求. 从 而 可 以 灵 活 实 现 符 合 各 种 USB 类 规 范 的 设 备 本 系 统 所 采 用 的 是 内 置 固 件 模 式 具 体 的 硬 件 电 路 图 如 图 2 所 示
图 2 嵌 入 式 USB 通 信 模 块 电 路 图 其 中 USB 接 口 的 设 计 方 案 很 多. 主 要 有 两 种 类 型 : 一 种 是 MCU 和 USB 接 口 芯 片 分 离 式 结 构, 此 类 方 案 的 特 点 是 成 本 低, 开 发 难 度 较 低 另 一 种 方 案 是 采 用 嵌 入 式 结 构. 即 采 用 带 USB 接 口 的 MCU 或 内 嵌 MCU 的 USB 接 口 芯 片 此 类 方 案 的 特 点 是 成 本 高, 不 适 用 于 简 单 和 低 成 本 的 数 据 采 集 系 统 本 文 提 出 的 设 计 方 案 属 于 MCU 和 USB 接 口 芯 片 分 离 式 结 构. 但 是 与 其 它 同 类 方 案 相 比, 它 具 有 成 本 更 低, 设 计 更 简 单 实 用, 并 且 开 发 周 期 更 短 等 特 点 传 统 的 分 离 式 的 方 案 要 用 普 通 I/O 口 来 实 现 对 CH372 芯 片 的 控 制, 而 在 这 个 设 计 中 用 Verilog HDL 硬 件 描 述 语 言 写 了 一 个 接 口 实 现 了 对 CH372 的 整 体 控 制, 接 口 有 以 下 信 号 : (1) 输 出 信 号 : 片 选 信 号 (CS#) 读 信 号 (RD#) 写 信 号 (WR) 地 址 信 号 A0; (2) 输 入 信 号 : 中 断 信 号 (INT#) 低 电 平 有 效 ; (3) 三 态 信 号 : 数 据 端 口 (D0~D7); 通 过 硬 件 完 成 信 号 时 序 的 控 制 以 及 读 写 信 号 的 建 立 和 保 持 时 间 传 统 的 控 制 器 用 软 件 来 完 成 时 序 以 及 建 立 和 保 持 时 间 的 控 制, 程 序 烦 琐, 而 使 用 针 对 CH372 的 硬 件 接 口, 可 以 只 简 单 的 把 数 据 写 到 端 口, 各 信 号 之 间 时 序 的 控 制 由 硬 件 来 完 成, 效 率 更 高 其 中 地 址 输 入 的 建 立 时 间 (TAS) 为 10ns(CH372 最 小 值 为 5ns), 有 效 的 写 选 通 脉 冲 的 宽 度 (TWW) 和 读 选 通 脉 冲 的 的 宽 度 (TRW) 为 100ns 写 选 通 后 的 数 据 保 持 时 间 (TIH) 为 10 ns 图 3 为 CH372 的 时 序 图 图 3 CH372 时 序 图 4 USB 接 口 的 软 件 设 计 4.1 固 件 程 序 设 计 在 内 置 固 件 模 式 下.CH372 屏 蔽 了 相 关 的 USB 协 议, 并 提 供 一 些 常 用 的 命 令 供 开 发 者 直 接 调 用 如 RESET_ALL 用 来 执 行 硬 件 复 位, 调 用 SET_USB_ID 可 设 置 USB 的 厂 商 识 别 码 和 产 品 识 别 码.GET_STATUS
用 来 获 取 中 断 状 态,RD_USB_DATA 从 当 前 USB 中 断 的 端 点 缓 冲 区 读 取 数 据 块 并 释 放 缓 冲 区, WR_USBDATA5 向 USB 端 点 1 的 上 传 缓 冲 区 写 入 数 据 等 等 对 于 需 要 输 入 或 输 出 数 据 的 命 令. 可 以 通 过 CH372 的 A0 引 脚 来 控 制 : 即 当 A0=1 时 总 线 DO-D7 上 可 以 写 命 令,A0=0 时 可 以 写 数 据 单 片 机 通 过 8 位 I/O 口 对 CH372 芯 片 进 行 读 写, 所 有 操 作 都 是 由 一 个 命 令 码 若 干 个 输 入 数 据 和 若 干 个 输 出 数 据 组 成, 部 分 命 令 不 需 要 输 入 数 据, 部 分 命 令 没 有 输 出 数 据 命 令 操 作 步 骤 如 下 : (1) 在 A0 为 高 电 平 时 向 命 令 端 口 写 入 命 令 代 码 ; (2) 如 果 该 命 令 具 有 输 入 数 据, 则 在 A0 为 低 电 平 时 依 次 写 入 输 人 数 据, 每 次 一 个 字 节 ; (3) 如 果 该 命 令 具 有 输 出 数 据, 则 在 A0 为 低 电 平 时 依 次 读 取 输 出 数 据, 每 次 一 个 字 节 ; (4) 命 令 完 成, 可 以 暂 停 或 者 转 到 (1) 继 续 执 行 下 一 个 命 令 在 Nios II IDE 的 编 辑 环 境 下, 具 体 的 写 命 令, 写 数 据, 读 数 据 的 函 数 代 码 如 下 ; /* 调 用 指 针 *CH372CMD *CH372DATA 来 通 过 A0 地 址 的 不 同 使 得 CH372 区 别 送 到 数 据 总 线 (D7-D0) 是 命 令 还 是 数 据 */ volatile alt_u8 *CH372CMD = (alt_u8 *)(CH372_BASE + 4);// 写 命 令, 写 到 *CH372CMD 的 数 据 被 理 // 解 为 命 令, 其 中 CH372_BASE 是 CH372 接 口 // 在 整 个 系 统 中 的 基 地 址 volatile alt_u8 *CH372DATA = (alt_u8 *)(CH372_BASE);// 写 数 据, 写 到 *CH372DATA 的 数 据 被 理 解 // 为 数 据 void CH372WRCMD(alt_u8 command) { *CH372CMD = command;// 把 命 令 写 到 CH372CMD 地 址 中,A0 自 动 置 1,CH372 把 D7-D0 上 的 数 据 理 解 // 为 命 令 alt_u8 i; for (i=0; i<100; i++);// 两 个 命 令 或 者 一 个 命 令 与 一 个 数 据 之 间 的 间 隔 时 间 } void CH372WRDATA(alt_u8 data) { *CH372DATA = data;// 把 数 据 写 到 CH372DATA 地 址 中,A0 自 动 置 0,CH372 读 取 D7-D0 上 的 数 据 alt_u8 i; for (i=0; i<100; i++);// 数 据 与 数 据 之 间 的 间 隔 时 间 } alt_u8 CH372RDDATA(void) { return (*CH372DATA);// 返 回 从 D7-D0 读 取 到 的 数 据 alt_u8 i; for (i=0; i<100; i++); } 固 件 程 序 流 程 图 如 图 4 所 示
图 4 固 件 程 序 流 程 图 4.2 应 用 程 序 软 件 接 口 函 数 介 绍 CH372 在 计 算 机 端 提 供 了 应 用 层 接 口, 应 用 层 接 口 是 由 CH372 动 态 链 接 库 DLL 提 供 的 面 向 功 能 应 用 的 API, 所 有 API 在 调 用 后 都 有 操 作 状 态 返 回, 但 不 一 定 有 应 答 数 据 CH372 动 态 链 接 库 提 供 的 API 包 括 : 设 备 管 理 API 数 据 传 输 API 和 中 断 处 理 API 设 备 管 理 API 主 要 包 括 :1 打 开 关 闭 设 备,CH375OpenDevice,CH375CloseDevice;2 获 取 USB 设 备, 配 置 描 述 符,CH375GetDeviceDescr,CH375GetConfigDescr;3 复 位 USB 设 备,CH375ResetDevice 数 据 传 输 API 主 要 包 括 :1 读 取 数 据 块 CH375ReadData;2 写 出 数 据 块 CH375WriteData 中 断 处 理 API 主 要 包 括 :1 读 取 中 断 数 据 CH375ReadInter;2 设 定 中 断 服 务 程 序 CH375SetIntRoutine 5 结 论 基 于 Nios II 软 核 处 理 器 的 USB 接 口 设 计 方 案 有 比 较 好 的 系 统 稳 定 性 及 可 靠 性 由 于 SOPC Builder 开 发 环 境 的 完 备 功 能, 设 计 者 可 以 把 精 力 集 中 在 系 统 整 体 构 架 和 功 能 上 来, 而 无 须 过 多 考 虑 电 路 实 现 细 节, 缩 短 了 产 品 的 研 发 周 期 同 时 由 于 处 理 器 采 用 软 核 的 形 式 实 现, 所 以 其 功 能 可 以 根 据 需 要 进 行 定 制 系 统 使 用 CH372 接 口 芯 片 实 现 了 对 高 速 信 号 的 数 据 传 输, 安 装 简 单, 支 持 即 插 即 用 ; 无 需 外 接 电 源, 可 直 接 由 USB 接 口 提 供 5V 电 压 ; 较 常 规 的 基 于 PCI ISA 的 高 速 数 据 采 集 系 统, 成 本 更 低 USB 接 口 的 应 用 处 在 高 速 发 展 阶 段, 使 用 USB2.0 可 以 达 到 480M/s 的 通 信 速 度, 可 以 满 足 大 部 分 高 速 信 号 的 数 据 传 输 要 求 参 考 文 献 [1] 任 爱 琴, 初 秀 琴, 常 存. 基 于 FPGA 的 嵌 入 式 系 统 设 计. 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社, 2004.181-246. [2] 孙 耀 成, 译.HYD J.USB 设 计 应 用 实 例 [M]. 中 国 铁 道 出 版 社,2003. [3] Altera 公 司.Nios II Software Developer s Handbook. [EB/OL]. (2005-10). [2006-05-27]. http://www.altera.com. [4] 南 京 沁 恒 公 司.CH372DS1 Datasheet [EB/OL].(2004-05-18). http: wch.com. [5] 李 开 春 朱 伟 兴. USB 接 口 芯 片 CH375 在 一 种 电 能 测 量 仪 系 统 中 的 应 用. 微 计 算 机 信 息,2006,9-2: 242-244. 本 文 作 者 创 新 点 : 介 绍 了 基 于 Nios II 软 处 理 器 的 USB 接 口 设 计, 该 方 法 实 现 了 对 USB 控 制 芯 片 CH372 的 整 体 控 制, 有 别 于 以 往 单 片 机 用 普 通 I/O 口 控 制 的 方 法, 在 硬 件 上 完 成 读 写 时 序 的 控 制 ; 在 底 层 软 件 的 编 写 上 只 要 向 CH372 写 数 据, 就 可 以 通 过 信 号 A0 的 不 同 使 CH372 区 别 出 所 接 收 的 是 命 令 还 是 数 据, 软 件 上 不 用 考 虑
读 写 时 序 的 控 制, 简 单 且 稳 定 作 者 简 介 : 王 蒙 (1979-), 男, 汉 族, 呼 和 浩 特 人, 重 庆 邮 电 大 学 硕 士 研 究 生, 主 研 方 向 : 嵌 入 式 系 统 研 究 ; WANG Meng (1979-), male, the Han nationality, Hhhtnese, Now he is a master in Chongqing University of Posts and Telecoms, His interests is exploitation of embeded system. 徐 洋 (1977-) 男, 汉 族, 重 庆 人, 职 称 : 讲 师, 学 历 : 硕 士, 主 研 方 向 :FPGA 的 研 究 ; XU Yang (1977-), male, the Han nationality, ChongQingnese, Instructor of Chongqing University of Posts and Telecoms. Research Area:FPGA research. 林 基 郁 韩 国 鲜 文 大 学 嵌 入 式 软 件 研 究 中 心 主 任 ; Rim Kee-wook Daebul University Embedded S/W Development Environment Reasearch Center Director Korea. 王 平 (1963-), 男, 汉 族, 重 庆 人, 职 称 : 教 授, 学 历 : 博 士, 研 究 方 向 : 工 业 以 太 网 及 网 络 控 制 技 术 汽 车 电 子 控 制 系 统 WANG Ping(1963-), male, the Han nationality, ChongQingnese, Professor of Chongqing University of Posts and Telecoms. Research Area: Ethernet for Industry and networks control technology; control System for Automotive Electronic.