基于TUSB6020的USB OTG接口设计与实现

　　大家都知道自从1996年USB传输协议的诞生，并以其优势很快的风靡了所有计算机外设以及数码设备，大家都知道USB设备分为HOST（主设备）和SLAVE（从设备），只有当一台HOST于一台SLAVE连接时才能实现数据的传输，OTG设备就是是我们的“EX”既能充当HOST，亦能充当SLAVE。自1996年USB1.0规范以后，USB-IF（Universal Serial Bus Implementers Forums）又陆续公布了  USB OTG1.0 、USB2.0和 USB OTG等几个规范，其中USB2.0的传输带宽达到480Mbps，而USB OTG更使USB装置摆脱了原来主从架构的限制，实现了端对端的传输模式，随着USB规范的不断完善，USB的应用领域也得到了拓展。USB诞生的初衷是简化电脑和其外设的连接，早是用在键盘和鼠标上，而现在，USB的应用已经从PC外设跨越到了消费电子产品和通信电子产品领域，显着的应用是在数码相机等消费电子产品上。

　　1 TUSB6020的特性、内部结构及其工作原理

　　1.1 TUSB6020特性和内部结构

　　TUSB6020采用5×5mm封装，符合USBG2.0 OTG规范，具有以下关键特性：

　　SRP和主机流通协议HNP。

　　提供多种工作速率，包括 1.5Mbps低速率、12Mbps全速率和 480Mbps高速率。

　　VBUS短路的保护电路。

　　片上集成可切换的上拉和下拉电阻。

　　片上锁相环可降低高速时钟噪声。

　　电源耗电量小于100mW。

　　图1为TUSB6020的内部结构。TUSB6020主要模块有USB 2.0 PHY模块、电源/复位/时钟控制模块（PRCM）、USB2.0 OTG控制模块及VLYNQ外部主机接口模块等。

　　1.2 TUSB6020工作原理

　　TUSB6020工作状态分为复位状态、空闲状态和正常工作状态。在空闲状态下，USB2.0 PHY挂起；正常工作状态下，使能USB2.0 PHY，从而使能VBUS检测电路和ID检测电路。不妨设TUSB6020为OTG主机设备（A设备），对方USB设备作为OTG从机设备（B设备），分析对话请求协议SRP和主机通信协议HNP的工作过程。

　　USB OTG是USB On-The-Go的缩写，是近年发展起来的技术，2001年12月18日由USB Implementers Forum公布，主要应用于各种不同的设备或移动设备间的联接，进行数据交换。特别是PDA、移动电话、消费类设备。改变如数码照相机、摄像机、打印机等设备间多种不同制式连接器，多达7种制式的存储卡间数据交换的不便。USB技术的发展，使得PC和周边设备能够通过简单方式、适度的制造成本将各种设备连接在一起，上述我们提到应用，都可以通过USB总线，作为PC的周边，在PC的控制下进行数据交换。

　　B设备向A设备发起SRP会话的条件是：（1）VBUS跌落到会话有效阀值0.8V以下；（2）DM/DP维持低电平SEO状态至少2ms。之后，B设备开始发起SRP请求，如图2所示。

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　　工作步骤如下：（1）B设备将上拉电阻接入 DM/DP并持续5-10ms；（2）B设备驱动 VBUS足够长的一段时间直到 VBUS大于会话有效阀值0.8V；（3）A设备检测到 DM/DP或 VBUS升高，开启 VBUS电源给 B设备供电；（4）A设备复位总线对 B设备进行枚举配置，开始传输任务。

　　HNP协议用来控制A、B两设备主从角色的转换。A设备查询B设备的OTG性能描述符，以判断B设备是否为OTG设备，若B设备为OTG设备，返回有效的性能描述符，A设备向B设备发送Set feature命令，然后挂起总线，等待B设备的HNP请求。如图3所示。

　　工作流程可以归纳为：（1）A设备挂起总线，DM/DP为高电平；（2）B设备收到Set feature命令，在总线挂起后断开它的DM/DP上拉电阻，将总线释放到SEO状态；（3）A设备检测到SEO状态后响应，连接它的DM/DP上拉电阻；（4）B设备在检测到DM/DP变高后，开始以主机方式工作，B设备复位总线，开始使用总线；（5）B设备使用完总线后，停止总线活动挂起总线，DM/DP再次变为高电平；（6）A设备检测到总线空闲后，断开DM/DP上拉电阻；（7）B设备检测DM/DP变低后，连接DM/DP上拉电阻；（8）A设备等待DM/DP变高后，表明B设备已准备回到从机状态，A设备从新成为主机复位总线，开始使用总线。

　　2 “达芬奇”处理器 TMS320DM6437与 TUSB6020的接口设计

　　TMS320DM6437是TI（德州仪器）针对数字视频领域开发的支持达芬奇技术的单核DSP处理器，低廉的开发套件与芯片价格使其主要而向低成本应用场介。它具备C64x+内核。所配备的视频处理子系统（VPSS）极大的支持了前端预处理与后端显示，减轩DSP核负担，配备的10/100M EMAC,减少外围电路，使硬件小型化成为可能。

　　2.1 硬件设计

　　TUSB6020与 TMS320DM6437硬件连接的电路图如图 4所示。

　　TUSB6020的DM/DP、ID和VBUS引脚与USBmicroAB连接器相连，建立与对方 USB设备的物理连接，其中 VBUS 5V电压由 VBUS电源开关提供，CPEN连接至它 EN引脚用以提供电源开关使能信号。双电源调节器向 TUSB6020提供 3.3V和 1.5V的数字、模拟电压。

　　VLYNQ接口引脚详细描述如下：（1）TUSB6020的 VLYNQ CLK接外部时钟，VLYNQ控制寄存器中的 CLKDIR比特位设置为 1，VLYNQ接口时钟由 DM6437系统时钟提供。（2）VLYNQ SCRUN为 VLYNQ时钟运行请求引脚，低电平表示允许 VLYNQ时钟运行，高电平表示传输事务结束，VLYNQ时钟运行停止。（3）TMS320DM6437写操作时，将数据压缩、地址编译，经串行编码后由 VLYNQTXD[0:3]发出，TUSB6020将数据进行串行解码和解压缩后读取地址，将数据写入指定寄存器。（4）TMS320DM6437读操作时，TUSB6020收到请求后，将数据压缩和串行编码后由 VLYNQ TXD发往TMS320DM6437。（5）VLYNQ接口的数据收发与VLYNQ串行时钟同步。

　　2.2 软件设计

　　2.2.1 TMS320DM6437和TUSB6020底层通信的实现

　　TMS320DM6437和TUSB6020底层通信是整个USB体系软件的根基，包括了DM6437对TUSB6020的读、写、设定地址等操作，主要通过 DM6437访问 TUSB6020的控制寄存器来完成。下面是写TUSB6020控制寄存器的部分程序代码。

　　void TUSB6020_Write_Reg（Uint32*OTG_base_addr，Uint32 offset，Uint8 size，Uint32 data）

　　{

　　Uint32 tmp_addr=0;

　　Uint16 tmp_data=0;

　　…

　　{…

　　case 16:

　　tmp_addr=*OTG_base_addr;

　　tmp_addr=tmp_addr+offset;

　　tmp_data=（Uint16）data;

　　（*（volatile Uint16*）tmp_addr）=data;

　　break;

　　…/*Todo Print Error Message*/

　　break;

　　}

　　}

　　2.2.2 TUSB6020驱动程序设计

　　TUSB6020 是一种小型解决方案，采用业界 5 毫米 x 5 毫米封装，可满足占用空间有限的产品要求。该产品通过相关，符合 USB 实施人员论坛 （USB Implementer’s Forum） 的 USB 2.0 OTG 规范要求，从而有助于确保与其他 USB 设备间的互操作性。其集成的 USB 2.0 PHY 为实现设计灵活性提供了多种单端口工作速率，其中包括 1.5 Mbps 低速、12 Mbps 全速以及 480 Mbps 高速工作。VLYNQ?串行接口允许其无缝接口至各种支持 VLYNQ 功能的应用处理器，而无需加载 GPMC 或EMIF 端口。

　　图 5为 DSP/BIOS外设驱动模型。TI公司的DSP／BIOS外设驱动模型分为两层三类，即：类驱动层和微型驱动层，PIP/PI0类、SIO／DIO类和 GI0类，结构图如图5所示。

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　　PIO模型具有良好的缓冲器分配回收机制，适合描述视频设备，SIO模型支持更底层的通信，适合设计比较简单的外设驱动程序，GIO模型设计的目的就是针对特殊硬件的新型设备。

　　GIO模型在提供必要的同步读／写API函数及其扩展函数的同时，将代码和使用数据缓存的大小尽量简化，应用程序可以调用 GIO的 API函数直接与微型驱动的 IOM交换数据。当调用GIO_create创建 TUSB6020的通道实例时，GIO在通道实例中增加I／O请求状态结构、IOM数据包（TUSB6020_USB_Packets）及一个 GIO数据对象。

　　微型驱动创建规定的函数，应用程序通过 GIO类驱动调用，这些函数将放入TUSB6020_USB_fxns中的相应位置，供应用程序通过 GIO类驱动调用。TMS320DM6437初始化时调用已注册到微型驱动中的 mdBindDev绑定通道函数。mdBindDev函数实现下列功能：根据配置的 TUSB6020设备参数初始化 TUSB6020设备，挂入中断服务函数，获得缓存、DMA等资源；与其对应的 mdUnBindDev绑定通道解除函数使 TUSB6020设备处于无效状态，不能再使用；mdCreateChan通道创建函数为应用程序和驱动程序建立通信通道，并给通道对象设置初始值，为通道申请缓冲区；mdSubmitChan I/O请求发送函数负责管理缓冲区，处理 TUSB6020_USB_Packet包中的命令字段；mdControlChan设备控制函数用来操作 TUSB6020设备，完成 OTG角色转换及数据收发等功能。

　　3 小结

　　TUSB6020节省芯片资源，功耗低，架构简洁，接口灵活，兼容性好。本文介绍了TUSB6020的功能特性、内部结构和TUSB6020的工作原理，分析了TUSB6020与外部主机的连接方式，提出了一种TMS320DM6437与TUSB6020的USB OTG接口设计方案。该接口设计可以广泛应用于各种便携式、嵌入式系统中，从而可靠便捷地实现USB OTG功能。

　　本文作者创新点：提出了TUSB6020与TMS320DM6437的USB OTG设计方案，硬件设计有效利用了VLYNQ接口，软件设计简捷灵活，为USB OTG的接口设计提供了一种新的参考，有广泛的应用价值。

  

参考文献:

[1]. SRP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SRP_1144728.html.
[2]. SIO datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SIO_2032367.html.