基于SL811HS／T和AT91SAM7X256控制器实现USB主机接口的设计
由于人们对数字形式信息的需求量越来越大，数据通信及其应用技术受到越来越广泛的关注和应用。随着技术的发展。usb通信正向高速、方便快捷、稳定可靠的方向发展。目前，大多数usb设备都是需要与pc机相连进行通信，而usb设备之间的通信则无法实现。而对于一些处在特殊环境下的称重设备的数据传输和系统升级，pc机很不方便实现，因此迫切要求开发出能够识别usb设备的主机端口。这样使用u盘等设备就能实现数据传输。本系统设计在at91sam7x256控制器的基础上，增加了主机端口，适用于工矿企业中称重设备的数据更新和系统升级。
1 系统整体方案
usb（universalserialbus）即通用串行总线，提供一种兼容不同速度的、可扩充的，使用方便的外围设备接口，同时也是为解决计算机接口太多等问题而设计的。在嵌入式系统中如果处理器集成了ohci标准的usb主机控制器，则直接就可以引出usb主控端口：而对于没有集成的处理器，则需要使用usb主控器件，从总线上扩展usb主机接口。很多ic制造商都提供这种主控器件，如scanlogic公司的sl811hs／t等。在编写usb设备驱动程序设计时，可以分为3部分编写：主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序设计和设备端驱动程序。对于一些不具备usb主机端口的设备，为了实现通信的方便、快捷性，如与u盘直接通信等设备是完全有必要在原来设备的基础上扩展usb主机端口。
该系统硬件设计是由电源、复位、时钟电路、以太网口、usb主机和设备端口以及串口组成，其结构框图如图1所示。其中，以太网口用于将设备接入网络实行远程管理和监控。将设备的数据接入internet，实现远程监控，适用于工矿企业设备的集中化管理和维护。usb主机端口通过主机控制器sl811hs／t与控制器at9lsam7x256相连，进行数据通信。usb设备端口作为与pc机通信的接口。该系统设计的创新在于该设备抛开了pc机，既可作为主机，也可作为外设，并与其他0tg设备直接实现点对点通信。
2 硬件电路设计
usb主机与设备之间的通信最终都是通过usb主机控制器和usb设备的总线接口间的电缆实现的，任何一个输出请求都是由主机控制器组成包的形式发往总线的。usb，总线中只有一个主机，它是usb树形结构的根，通过一个根hub提供一个或多个连接点，由其连接各个usb设备。
2．1 核心器件选型
该系统设计选用scanlogic公司的sl811hs／t作为usb主机接口器件，该器件是既能用作host模式又能用作slave模式的，具有标准微处理器总线接口usb控制器，适用于非pc设备在host模式下，它支持嵌入式主机与usb外围设备的通信，在slave模式下，可作为主机的一个外设。sl811hs具有以下特点：是遵循usbl．1协议的嵌入式usbhost／slave器件；提供8bit宽数据总线及中断支持，方便与微处理器、微控制器连接；通过硬件设置或软件设置，工作在host或slave模式；自动探测所接设备是低速设备还是高速设备：8bit双向数据总线；片上si-e、usb收发器；软件控制下运行为单个usb主或从设备主机或从设备模式有1．5mb／s的低速，12mb／s的全速，自动识别低速和全速设备8位双向数据，工作于12mhz或48mhz晶振或振荡器。
微处理器是系统核心，其性能直接决定该系统设计的准确性，稳定性和可靠性。基于本系统对精度和实时性的要求。选用atmel公司的at9lsam7x256单片机。它具有以下特点：1）内部集成arm7tdmiarmthumb处理器，支持嵌入式ice内电路仿真以及调试通信接口：2）复位控制器（rstc），基于上电复位单元，提供外部信号整形和复位源状态；3）时钟发生器（ckgr），低功耗rc振荡器，3～20mhz片上振荡器和1个pll；4）电源管理控制器（pmc），具有电源优化功能，包括慢速时钟模式（低于500hz）和空闲模式，4个可编程外部时钟信号；5）usb2．0全速（每秒12mbit）设备接口，具有片上收发器，大小为1352字节的可配置成fif0；6）10／100base-t（mb／s）的以太网口；7）提供片上1．8v稳压器，为内核及外部组件提供高达100ma的电流，3．3vvddio提供i／o线电源，独立的3．3vvddflash提供flash电源，具有掉电检测的1．8vvddcore提供内核电源。
2．2 at91sam7x256的usb设备端口设计
at91sam7x256的usb设备端口原理图，如图2所示。由于at91sam7x256支持usb2．0全速（每秒12mbit）设备接口，故at91sam7x256的2个引脚ddm和ddp与外界usb相连，直接实现usb设备端口。
由usb接口输入5v直流电源，二极管vd1用于限制电源的导通方向，经过c18、c19滤波，然后经过spxll7m-3．3将电源稳压至3．3v。为了降低噪声和出错率，应隔离模拟电源与数字电源，图3中的l1和l2用于电源隔离元件（将数字电源的高频噪声隔离）。spxll7m-3．3是sipex公司的ldo器件，其特点为输出电流大，输出电压精度高稳定性高。spxll7m系列ld0器件输出电流可达800ma，具有电流保护和热保护功能，可广泛应用于数字家电和工业控制等领域。
2．3 usb主机端口设计
at91sam7x256的usb主机端口原理图，如图3所示。sl811hs／t选用48引脚的tqfp封装形式，sl811hs／t既能用作host模式又能用作slave模式。将sl811hs／t的m／s引脚接地，即设为低电平信号（m／s=0），选择作为主机端口。
sl811hs／t的d0～d7端口为双向数据i／o端口，与控制器的pal0～pal7端口相连，实现数据通信。sl811hs／t的nrd引脚与at91sam7x256的pa9相连，nwr引脚与at9lsam7x256的pa8相连，sl811hs／t的ncs引脚与at91sam7x256的pa7相连，ao引脚与at91sam7x256的pa6相连，控制sl811hs／t的读写状态，如图4所示。
访问存储器和控制寄存器的空间时，先设a0=0后写地址，接下来设a0=1，再进行寄存器／存储器读／写周期。当nwr或ncs处于无效时，sl811hs写或读操作终止。对于连接到sl81lhs的设备，在writenwr信号之前取消片选ncs，数据将一直保持并与指定的值相同。sl811hs／t的nrst引脚与at91sam7x256的pal8相连，实现软件低电平复位功能。sl811hs／t的引脚7、8与usb接口的data+，data-相连实现数据通信。s-l811hs／t的clk／x1引脚和x2引脚与外接12mhz晶振相连。
3 系统软件实现
usb设备驱动程序设计包括主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序和设备端驱动程序3部分组成。主机端设备驱动程序就是设备驱动程序，它是主机环境中为用户应用程序提供一个访问usb外设的接口。linux为这部分驱动程序提供编程接口，设计者只要按照需求编写驱动程序框架，通过调用操作系统提供的apl接口函数可以完成对usb外设的特定访问。
3．1 usb设备驱动程序框架
图5所示linux中usb驱动的体系结构。linuxusb主机驱动由3部分组成：usb主机控制器驱动，usb驱动和不同的usb设备类驱动。usb驱动程序首先要向linux内核进行注册自己，并告之系统该驱动程序所支持的设备类型及其所支持的操作。这些信息通过usb_driver结构传递。
3．2 注册和注销
usb驱动程序注册，就是把在初始化函数中填好的use_driver结构作为参数传递给use_register（）函数即可，函数的调用方法为：result=usb_register（&skel_driver）；当要从系统卸载驱动程序时，也是将use_driver结构作为参数传递给usb_deregister函数处理。函数的调用格式为：
当usb设备插入时，为了使linux-hotplug系统自动装载驱动程序，需要创建一个module_device_table。核心代码如下（这个模块仅支持某一特定设备）：
3．3 probe（）函数
probe（）函数的编写格式为：staticvoid*skel_probe（structusb_device*dev，unsignedintifnum，conststructusb_device_id*id）；驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接收，如果不接收，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe（）函数返回一个null值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针，通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
在驱动程序里，最后一点是要注册devfs（设备文件系统）。首先创建一个缓冲用来保存那些被发送给usb设备的数据和那些从设备上接收的数据，并为设备传输创建一个usb请求块（urb）以向设备写入数据，同时usburb被初始化，然后在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问usb的设备。注册过程如下：
如果devfs_register函数失败，devfs子系统会将此情况报告给用户。如果设备从usb总线拔掉，设备指针会调用disconnect函数。驱动程序就需要清除那些被分配了的所有私有数据，关闭urbs，并且从devfs上注销调自己。
3．4 open（），write（）和read（）函数
首先，要打开此设备。在open（）函数中module_inc_use_count宏是一个关键，它起到一个计数的作用，有一个用户态程序打开一个设备，计数器就加1。read（）函数首先从open（）函数中保存的fi。write（）函数和read（）函数是完成驱动对读写等操作的响应。在skelwrite中，一个fll_bulk_urb函数，就完成了urb系统callbak和的skel_write_bulk_callback之间的联系。read函数与write函数稍有不同在于：程序并没有用urb将数据从设备传送到驱动程序，而是用usb_bulk_msg函数代替，这个函数能够不需要创建urbs和操作urb函数的情况下，来发送数据给设备，或者从设备来接收数据。调用usb_bulk_msg函数并传到一个存储空间，用来缓冲和放置驱动收到的数据，若没有收到数据表示失败并返回一个错误信息。usb_bulk_msg函数，当对usb设备进行一次读或者写时，usb_bulk_msg函数是非常有用的；然而，当需要连续地对设备进行读／写时，应建立一个自己的urbs，同时将urbs提交给usb子系统。
mod_dec_use_count宏也会被调用到，首先确认当前是否有其他的程序正在访问这个设备，如果是最后一个用户在使用，可以关闭任何正在发生的写，操作如下：
usb设备可以在任何时间点从系统中取走，即使程序目前正在访问它。usb驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题，它需要能够切断任何当前的读写，同时通知用户空间程序：usb设备已经被取走。
4 实验结果
经过大量的试验，该系统工作稳定可靠，传输速度快且具有极低的误码率。利用逻辑分析仪和bushound软件进行相应的逻辑功能分析，usb主机与设备之间可以正常通信。因为整个电路主要应用于称重系统，所以着重测试了控制传输和批量传输这两种数据传输方式。批量传输的有效数据传输速率可以达到1mb／s，这是传输带宽的限制和数据包中冗余信息的存在所导致的。总体来讲，1mb／s的传输速率还是令人满意的。
5 结束语
本系统以at91sam7x256单片机为核心进行设计，采用sl811hs／t主控器件，实现了usb主机端口的扩展，使称重设备中同时具有usb设备端和主机端口，因此，该系统设计实现数据的点对点通信，实现称重设备数据更新、系统升级的可靠、快捷，适合工矿企业特殊环境下设备数据的更新，便于对设备的管理和维护。并在称重系统中引入usb主机端口具有非常实用的特点。因此，该系统设计具有很好的应用前景。
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2．1 核心器件选型
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3 系统软件实现
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3．1 usb设备驱动程序框架
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3．2 注册和注销
usb驱动程序注册，就是把在初始化函数中填好的use_driver结构作为参数传递给use_register（）函数即可，函数的调用方法为：result=usb_register（&skel_driver）；当要从系统卸载驱动程序时，也是将use_driver结构作为参数传递给usb_deregister函数处理。函数的调用格式为：
当usb设备插入时，为了使linux-hotplug系统自动装载驱动程序，需要创建一个module_device_table。核心代码如下（这个模块仅支持某一特定设备）：
3．3 probe（）函数
probe（）函数的编写格式为：staticvoid*skel_probe（structusb_device*dev，unsignedintifnum，conststructusb_device_id*id）；驱动程序需要确认插入的设备是否可以被接收，如果不接收，或者在初始化的过程中发生任何错误，probe（）函数返回一个null值。否则返回一个含有设备驱动程序状态的指针，通过这个指针，就可以访问所有结构中的回调函数。
在驱动程序里，最后一点是要注册devfs（设备文件系统）。首先创建一个缓冲用来保存那些被发送给usb设备的数据和那些从设备上接收的数据，并为设备传输创建一个usb请求块（urb）以向设备写入数据，同时usburb被初始化，然后在devfs子系统中注册设备，允许devfs用户访问usb的设备。注册过程如下：
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首先，要打开此设备。在open（）函数中module_inc_use_count宏是一个关键，它起到一个计数的作用，有一个用户态程序打开一个设备，计数器就加1。read（）函数首先从open（）函数中保存的fi。write（）函数和read（）函数是完成驱动对读写等操作的响应。在skelwrite中，一个fll_bulk_urb函数，就完成了urb系统callbak和的skel_write_bulk_callback之间的联系。read函数与write函数稍有不同在于：程序并没有用urb将数据从设备传送到驱动程序，而是用usb_bulk_msg函数代替，这个函数能够不需要创建urbs和操作urb函数的情况下，来发送数据给设备，或者从设备来接收数据。调用usb_bulk_msg函数并传到一个存储空间，用来缓冲和放置驱动收到的数据，若没有收到数据表示失败并返回一个错误信息。usb_bulk_msg函数，当对usb设备进行一次读或者写时，usb_bulk_msg函数是非常有用的；然而，当需要连续地对设备进行读／写时，应建立一个自己的urbs，同时将urbs提交给usb子系统。
mod_dec_use_count宏也会被调用到，首先确认当前是否有其他的程序正在访问这个设备，如果是最后一个用户在使用，可以关闭任何正在发生的写，操作如下：
usb设备可以在任何时间点从系统中取走，即使程序目前正在访问它。usb驱动程序必须要能够很好地处理解决此问题，它需要能够切断任何当前的读写，同时通知用户空间程序：usb设备已经被取走。
4 实验结果
经过大量的试验，该系统工作稳定可靠，传输速度快且具有极低的误码率。利用逻辑分析仪和bushound软件进行相应的逻辑功能分析，usb主机与设备之间可以正常通信。因为整个电路主要应用于称重系统，所以着重测试了控制传输和批量传输这两种数据传输方式。批量传输的有效数据传输速率可以达到1mb／s，这是传输带宽的限制和数据包中冗余信息的存在所导致的。总体来讲，1mb／s的传输速率还是令人满意的。
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