一种基于SPI芯片的USB控制器接口设计

　　MAX3420是Maxim公司近年来新推出的一款USB外设。该器件采用SPI接口方式，相对于传统的并行接口方式，大大减少了芯片引脚，且其工作速率仍可达到26 MHz。本文介绍了使用MAX3420作为USB控制器，并通过SPI接口进行数据换。

　　1 MAX3420简介

　　MAX3420是Maxim公司推出的一款全速USB外设，包括必要的数字逻辑和模拟电路，支持USB2.O协议。MAX3420内建全速收发器，支持±15kV的ESD保护，可以编程控制USB总线的连接和断开；内含的串行接口引擎可以控制底层的USB协议细节，如错误校验和总线重连接。MAX3420通过SPI接口操作其内部寄存器，工作频率为26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根线便可增加USB功能。

　　2 MAX3420的外围电路

　　作为一款全速USB外设，MAX3420的外围电路并不复杂，如图1所示，图中采用USB自身供电方式，右上角的3.3V稳压器表示产生3.3 V电压、为CPU供电的电压转换芯片，常用的有AS2830、LMlll7等。与CPU连接的引脚共有6个，其名称和功能如表l所列芯片的供电电压为0～4 V，可以采用3.3 V供电；采用12 MHz晶振，内部锁相环进行4倍频；还提供了4个通用输出口和4个通用输入口，便于CPU的I／O口扩展。

　　带有SPI接口的CPU，与MAX3420的接口十分方便；如果不带SPI接口，则也可用I／O口来实现SPI的功能。图2为CPU与MAX3420的接口原理图。

　　3 MAX3420的工作方式

　　全双工即Full duplex Communication，是指在通信的任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操作所产生的时间延迟，这对那些不能有时间延误的交互式应用（例如远程监测和控制系统）十分有利。这种方式要求通讯双方均有发送器和接收器，同时，需要2根数据线传送数据信号。

　　MAX3420的SPI接口可工作于以下两种工作方式：全双工方式（MOSI输入／MISO输出）和半双工方式（MOSI输入／输出）。

　　3.1 全双工方式

　　全双工方式下的读操作：

　　①SS为高，MAX3420未选中，MISO为高阻态。

　　②当SCLK为静止态时，SS了，低，MAX3420选中；打开MISO输出缓冲，将要发送数据的位送到MISO输出。

　　③SPI主方式下，首先的8个时钟脉冲将命令由MOSI发送；MISO在SCLK上升沿输出USB状态位。

　　④8个时钟脉冲以后，SS为高，MAX3420停止工作，MISO输出高阻态。在SCLK下降沿，下一个输出数据的位在MISO顺序输出。

　　全双工方式下的写操作：

　　①SPI主方式下设置时钟为静止态，SS为高。

　　②SS为低，将要写的数据的位放到MOSI输入。

　　③SPI主方式下。首先的8个时钟脉冲将命令由MOSI发送；MISO在SCLK上升沿输出USB状态位。

　　④8个时钟脉冲以后，SS为高，MAX3420停止工作。

　　全双工方式下的读／写时序图如图3所示。

　　3.2 半双工方式

　　半双工（Half Duplex）数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。例如，在一个局域网上使用具有半双工传输的技术，一个工作站可以在线上发送数据，然后立即在线上接收数据，这些数据来自数据刚刚传输的方向。像全双工传输一样，半双工包含一个双向线路（线路可以在两个方向上传递数据）。

　　半双工方式下MISO为高阻态，MOSI为双向。由于只有一根线，因此半双工方式下USB状态位不再有效。半双工方式下的读/写操作：

　　①SS为高，MAX3420未选中，MOSI可以为任意值。

　　②当SCLK为静止态时，SS为低，MAX3420选中；将要写的数据的位送到MOSI输入。

　　③SPI主控制器打开输出驱动，首先的8个时钟脉冲将命令在SCLK上升沿由MOSI发送；8个时钟脉冲后，SS为高。

　　④如果要写SPI数据，则SPI主控制器保持打开输出驱动，在SCLK脉冲下，顺序将数据位送到MOSI引脚；如果要读SPI数据，则在8个时钟脉冲后，SPI主控制器关闭输出驱动，开始从MOSI按时钟脉冲读入数据。

　　⑤SS为高。MAX3420停止工作。

　　半双工方式下的读/写时序图如图4所示。

　　4 USB程序流程

　　MAX3420共有4个端点，即EP0～EP3。如图5所示，USB2.0协议由硬件接入层、中间层及上层应用3部分构成。其中：硬件接入层是与CPU紧密联系的，其他两层是与硬件无关的。硬件接入层主要实现了两个函数outport（）和inport（）。这两个函数是整个USB协议在硬件上运行的基础，只要在硬件接入层针对不同的CPU和MAX3420实现了这两个函数，便可以保证USB接口的正常工作。

　　本文以PICl8F2520和MAX3420为例，在全双工方式下说明以上两个函数的示意性代码。

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

　　使能CPU的SPI模式；

　　设置CUP的SPI为主共和方式，MAX3420的SPI为从工作方式；

　　使能CPU的SPI模式；

　　设置CPU的SPI为主工作方式，MAX3420的SPI为从工作方式；

　　USB2.0协议规定USB接口工作于被动工作方式，协议中间层主要包括总线重连接、EP0收发和中断处理等几部分，其工作流程如图6所示。协议上层应用程序由程序员按照规范根据具体需要编写。

　　USB传输只能由HOST发起，HOST需要向Device发送一个OUT令牌包。在这个包里指定了接受数据的设备地址、端点。然后将数据包发送到USB总线上。不是目的接收器件的USB设备不会响应该数据包，目的接收设备如果能接收该数据包，则以ACK握手包响应，如果不能接收该数据包，则以NAK握手包响应

　　5 总 结

　　将MAX3420用于汽车车载故障诊断仪的USB接口设计，实际传输速率可达20 Mbps左右，完全可以满足对汽车总线上传输数据的实时采集要求；总共占用CPU的6个引脚，用于与MAX3420的控制、数据接口，实际使用效果良好。