基于ATmega128和CH374的USB接口的软硬件设计
1 系统硬件设计
1.1 系统原理
该系统以ATmega128单片机和CH374接口芯片为核心。ATmega128单片机是基于AVR RISC结构8位低功耗CMOS微处理器，内部带有128 Kb的系统内可编程FLASH程序存储器；4 Kb的EEPROM;4 Kb的SRAM;串行外围设备接口（SPI）；有53个可编程的通用I/O脚，32个通用工作寄存器；有4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）；自带8通道10位ADC,可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定时器：与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口，可以用于片上调试；6种可以通过软件选择的省电模式，采用64引脚TQFP与MLF封装；峰值运算速度达16 MIPS,非常适合应用在嵌入式系统中。
USB器件采用CH374.该芯片支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式，内置3端口HUB根集线器，支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步/等时传输。CH374具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP /MCU/MPU等控制器的系统总线上。在计算机系统中，CH374的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通信就如同读写文件，降低了开发难度，除此之外，CH374还提供了节约I/O引脚的SPI串行通讯方式，通过SPI串行接口以及中断输出与单片机/DSP/MCU/ MPU等相连接。系统原理图如图1所示。
图1 系统原理图
1.2 硬件电路
CH374通过SPI串行接口以及中断输出与单片机连接，以便节约单片机的I/O引脚。CH374芯片的RD#引脚和WD#为低电平（接地）且CS#引脚为高电平（接正电源），则CH374将工作于SPI串口方式。在SPI串口方式下，CH374只需要与ATmega128单片机连接5个信号线：SCS#引脚、SCK引脚、SDI引脚、SDO引脚以及INT#引脚，其它引脚都可以悬空。电路示意图如图2所示。
图2 硬件电路示意图
ATmega128单片机配置为SPI主机时，SPI接口不自动控制PBO（SS#）引脚，必须由用户软件在通信开始前进行处理。对SPI数据寄存器写入数据即启动SPI时钟，将8比特的数据移入CH374芯片。CH374的SPI接口支持SPI模式0和SPI模式3,CH374总是从SPI时钟SCK的上升沿输入数据，并在允许输出时从SCK的下降沿输出数据，数据位顺序是高位在前，计满8位为一个字节。SPI的操作步骤如下：
1）ATmega128产生CH374芯片的SPI片选，低电平有效；
2）ATmega128按SPI输出方式发出一个字节的地址码，用于指定其后读写操作的起始地址；
3）ATmega128发出一个字节的命令码指明操作方向，读操作命令码是COH,写操作命令码是80H;
4）如果是写操作，ATmega128发出一个字节的待写数据，CH374收到并保存到指定地址后地址自动加1,ATmega128继续发出若干个字节的待写数据，CH374依次处理，直到ATmega128禁止SPI片选；
5）如果是读操作，CH374从指定地址读出一个字节数据并输出后地址自动加1,ATmega128收到数据并保存，CH374继续从下一个地址读出数据并输出，直到ATmega128禁止SPI片选；
6）ATmega128禁止CH374芯片的SPI片选，以结束当前SPI操作。
2 系统软件设计
软件开发采用ATMEL公司的AVR STUDIO 3.53集成开发环境，包括：AVR ASSEMBLER编译器、AVR STUDIO调试功能、AVR PROG串行、并行下载功能、JTAG ICE仿真功能，本设计采用的是JTAG ICE仿真调试。软件设计主要包括固件程序设计、应用程序设计和驱动程序设计3个部分。
2.1 固件程序设计
CH374内置了USB通信中的底层协议，因此单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，在完成CH374的初始化工作后，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而完成USB总线连接过程。初始化CH374主要完成USB设备的枚举，CH374初始化程序的程序如下：
void CH374_PORT_INIT（） /*进行初始化*/
{ unsigned char i;
PORTB |=0x03;/*禁止SPI片选，设置SCS#默认为高电平*/
DDRB |=0x07;/*设置SCS#,SCK,SDI为输出*/
DDRB=0x08;/*SDO输入*/
SPCR=0x5C;/*设置SPI模式3*/
CH374_DAT_PORT=1;/*设置为使用外置固件的USB设备方式*//*下述启用中断，CH374连接在INT0*/
IT0=0;/*置外部信号为低电平触发*/
IE0=0;/*清中断标志*/
EX0=1;/*允许CH374中断*/
}
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