摘   要： 針對一般USB裝置只能在PC機周圍進行數(shù)據(jù)通信的限制，提出了基于USB OTG接口與STM32微控制器相結(jié)合的智能通信的設(shè)計方法。該方法是在基于Cortex內(nèi)核的32 bit RAM芯片STM32F107上集成USB OTG接口上實現(xiàn)，它利用了STM32集成度高、成本低、功耗低、開發(fā)方便、性能可靠和USB OTG雙角色特性等優(yōu)點,解決了無PC機時USB從設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送難的問題。并在金牛開發(fā)板上實現(xiàn)它與PC機以及U盤之間的通信，完成了USB嵌入式設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸。
關(guān)鍵詞： USB OTG； STM32F107； U盤

    移動數(shù)據(jù)的交換和存儲, 是近年來IT行業(yè)的熱點。隨著USB技術(shù)的產(chǎn)生，USB技術(shù)已逐漸應(yīng)用在移動數(shù)據(jù)領(lǐng)域中。目前使用的USB移動設(shè)備都只能通過PC機進行相互的文件和數(shù)據(jù)交換。隨著USB技術(shù)的逐漸成熟，人們希望通過移動設(shè)備直接與USB外設(shè)通信, 使得USB能應(yīng)用在沒有PC的領(lǐng)域中。
    USB OTG(On The Go)[1]可滿足這些要求，即一個擁有OTG 功能的設(shè)備既可以扮演主機的角色操縱其他USB從設(shè)備，同時又可以擔(dān)當(dāng)從設(shè)備的角色接受主機的支配。例如,照相機可以直接連到USB打印機上打印數(shù)據(jù)。當(dāng)今USB主機的嵌入式應(yīng)用就成了USB領(lǐng)域新的研究焦點。該技術(shù)對于便攜式設(shè)備、野外作業(yè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸將是一個重要突破。基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列的ARM嵌入式處理器因其高的性價比而正被廣泛應(yīng)用。將USB與ARM相結(jié)合是進行數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案。本文重點討論基于STM32的USB OTG的數(shù)據(jù)通信。
1 USB OTG規(guī)范    
    USB OTG規(guī)范是USB 2.0規(guī)范的補充，它完全遵守USB 2.0規(guī)范的外圍設(shè)備。在USB OTG規(guī)范之下, 任意兩個符合規(guī)范的USB產(chǎn)品都可以互相連接進行通信, 而不是必須通過PC機才能通信, 從而實現(xiàn)了各類USB產(chǎn)品完全脫離電腦進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?br />     雙重角色設(shè)備必須具備有限的主機能力，同時還需要一個OTG目標(biāo)列表，即包括與之通信的設(shè)備信息、設(shè)備類型、制造商等。它支持會話請求協(xié)議SRP和主機交換協(xié)議HNP。SRP協(xié)議用于B設(shè)備向A設(shè)備請求開始USB會話, HNP協(xié)議用于USB會話過程中在A設(shè)備和B設(shè)備之間傳遞主機地位[2]。
2 STM32的USB OTG全速控制器
    ST公司在基于ARM公司的Cortex-M3架構(gòu)上研發(fā)出32 bit STM32處理器后，憑借其豐富的外圍模塊、高速指令執(zhí)行速度、低功耗、低價格而備受市場青睞。2009年又推出了STM32F107互聯(lián)型系列微控制器，它集成了USB OTG接口，配合了USB HOST和SPI功能，讓微控制器可以讀取USB大容量外存、MP3播放器、SD記憶卡等文件。STM32F107芯片內(nèi)集成了USB OTG模塊功能圖如圖1所示。

    USB OTG全速控制器從復(fù)位和時鐘控制模塊(RCC)中獲得時鐘，微控制器內(nèi)核(CPU)通過AHB外設(shè)總線訪問OTG全速控制器的寄存器，USB事件由單獨的USB OTG中斷控制線通知微控制器內(nèi)核[3]。
    每個發(fā)送FIFO都配置了一個PUSH寄存器，微控制器以向PUSH寄存器寫32 bit數(shù)據(jù)的方式向USB控制器傳輸數(shù)據(jù)，每一個OUT端點或IN通道都有一個POP寄存器，微控制器通過讀POP寄存器獲得來自USB總線的32 bit數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)自動從共享的接收FIFO中載入，接收FIFO位于總共1.25 KB的USB數(shù)據(jù)RAM區(qū)。
    USB協(xié)議層由串行接口控制器(SIE)驅(qū)動，并連接到由內(nèi)置物理層(PHY)支持的USB全速/低速收發(fā)模塊。OTG PHY由OTG全速控制器控制，并通過UTMI+總線(UTMIFS)的全速子集來收發(fā)控制和數(shù)據(jù)信號。它包括了上拉/下拉電阻的ECN電路。內(nèi)置了ID線的上拉電阻，用于區(qū)分是主機狀態(tài)還是設(shè)備狀態(tài)，若ID線浮空，內(nèi)置的上拉電阻將檢測到ID線的高電平，此時控制器處于默認(rèn)的設(shè)備模式下。若ID線接地。自動切換到主機模式，并需要軟件初始化主機模式。
    DP/DM線內(nèi)置了上拉和下拉電阻[4]，在設(shè)備模式下，當(dāng)VBUS線上出現(xiàn)了有效的電平，控制器使能DP線的上拉電阻，向主機通告接入一個USB全速設(shè)備。在主機模式下，控制器同時使能DP和DM線的下拉電阻。上拉和下拉電阻可以在控制器通過主機協(xié)商協(xié)議(HNP)切換角色類型時動態(tài)地切換。
3 USB OTG軟件設(shè)計
    STM32F107芯片集成了USB OTG功能，USB OTG固件程序的設(shè)計可以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃胁僮骷肮δ堋Ｆ浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中驅(qū)動程序棧包括主機驅(qū)動程序棧、從機驅(qū)動程序棧、USB OTG驅(qū)動程序棧。當(dāng)完成固定程序設(shè)計后，系統(tǒng)軟件會根據(jù)硬件的連接檢查ID線的狀態(tài)來選擇工作模式是設(shè)備模式還是主機模式。程序流程圖如圖3所示。

    如果工作于主機模式下，則進行相應(yīng)初始化、檢測端口，在檢測到有設(shè)備接入時復(fù)位總線、枚舉并配置從機設(shè)備，在完成對從機識別后，可通過查詢從機的OTG性能描述符判斷是否支持HNP協(xié)議(即是否為兩用OTG設(shè)備)。當(dāng)工作在從機狀態(tài)時則等待主機對其完成枚舉。本文是在STM32開發(fā)工具RealView MDK的基于STM32固件庫上進行開發(fā)，實現(xiàn)與U盤、PC機間的通信。
3.1 U盤讀寫的實現(xiàn)
    U盤屬于USB 大容量存儲設(shè)備，它具有容量大、可移動、數(shù)據(jù)交互方便等優(yōu)點，因而實現(xiàn)與U盤的讀寫具有很強的應(yīng)用價值和市場前景。要實現(xiàn)U盤讀寫，USB 主機必須具有相應(yīng)的驅(qū)動[5],對各種讀寫指令進行封裝、解釋和執(zhí)行。
    在系統(tǒng)進入主機模式前應(yīng)先給開發(fā)板提供5 V供電,開啟系統(tǒng)時鐘、USB OTG時鐘,然后調(diào)用void HOST_Init (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev)函數(shù)將USB OTG初始化為主機模式，接著調(diào)用HOST_ChannelInit(USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev,USB_OTG_HC *pHost
Channel)初始化傳輸通道，其中包括總傳輸長度、期望接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)、設(shè)備端點傳輸類型、速度、方向的配置。最后根據(jù)主機傳輸協(xié)議在初始化通道內(nèi)進行傳輸,可以調(diào)用下列函數(shù)uint32_t HOST_StartXfer (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev, USB_OTG_HC *pHostChannel)進行通信。
    U盤是大容量存儲設(shè)備，支持Bulk-Only 傳輸協(xié)議，USB主機在能夠正確操縱U盤之前必須先完成USB總線的枚舉，在控制傳輸階段先獲取從設(shè)備的信息，然后根據(jù)這些信息對從設(shè)備進行重配置后, 才能建立主從通信。此外, 程序中還要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Mass Storge 類協(xié)議中的磁盤操作命令UFI, 它能完成讀、寫、格式化磁盤等。最后建立了FATFS 文件系統(tǒng),它兼容了FAT16、FAT32文件系統(tǒng)，它是UFI 與移動盤上文件數(shù)據(jù)連接的橋梁, UFI命令的所有數(shù)據(jù)流只有按照FATFS 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸, 才能順利實現(xiàn)文件讀、寫等功能。
    程序中實現(xiàn)U盤的BOT傳輸，除了規(guī)定控制傳輸端點0之外，還定義了輸入、輸出端點，BOT狀態(tài)機的5個狀態(tài)，兩個狀態(tài)寄存器CBW、CSW。端點輸出中斷程序完成寫U盤，端點輸入完成讀U盤操作。其流程圖分別如圖4、圖5所示。

3.2 與PC機之間通信
    與PC機進行通信，系統(tǒng)作為USB從設(shè)備時, 要應(yīng)答PC主機的標(biāo)準(zhǔn)請求、處理USB總線事務(wù)和用戶功能[6]。首先調(diào)用void USB_OTG_USBD_Init ()將USB OTG工作模式配置成從機模式，接著調(diào)用底層驅(qū)動API函數(shù)USB_OTG_USBD_EP_Open ()來激活端點進行數(shù)據(jù)傳輸，USB OTG定義了三個端點, 程序中定義端點0在控制傳輸中應(yīng)答設(shè)備枚舉，端點1的功能為向PC機發(fā)送數(shù)據(jù), 端點2的功能為接受PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)。PC主機枚舉系統(tǒng)設(shè)備時, 必須先獲得USB OTG端點的配置參數(shù)。最后通過調(diào)用如下的PCD層API函數(shù)完成SETUP包、IN包、OUT包的傳輸。
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Read();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Write();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Stall();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_ClrStall();
    uint32_t USB_OTG_USBD_EP_Flush();
    本文采用意法半導(dǎo)體公司互聯(lián)型控制芯片STMF107集成的USB OTG接口, 在基于金牛開發(fā)板上實現(xiàn)了從設(shè)備和主機的數(shù)據(jù)傳輸，作為從設(shè)備, PC機端的應(yīng)用程序可以通過USB OTG 開發(fā)板的SDRAM進行數(shù)據(jù)的讀寫，可穩(wěn)定在500 kb/s；作為主機, 可以枚舉連接到USB OTG 接口上的U盤實現(xiàn)了對U盤的讀寫,最高讀寫速率可達800 kb/s。
    本文利用了STM32F107芯片高度集成的USB OTG接口，其開發(fā)系統(tǒng)性能好、可靠性高、開發(fā)方便，開發(fā)者只需在軟件上編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時STM32芯片提供了相關(guān)固件庫，在此基礎(chǔ)上進行開發(fā)提高了效率。本文的創(chuàng)新點就在于充分結(jié)合和利用了STM32處理器低成本、低功耗、高可靠性與USB OTG技術(shù)的優(yōu)點，對于已經(jīng)編程實現(xiàn)的主機、從機棧程序有很好的移植性， 對于以后數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_發(fā)具有很好的參考性。將USB與STM32相結(jié)合實現(xiàn)USB嵌入式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，將會在移動數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] On The Go Supplement to the USB2.0 Specification,Rev1.0[S].www.usb.org,2001.
[2] 周立功.USB 2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.   
[3] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32 系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[4] ST Microelectronics. STM32 Reference manual[Z].2009.
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[6] 張洪波,江海河,賈先德. USB OTG 技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 微計算機信息，2006,(22):2-3.