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基于STM32的USB OTG數據通信的實現

來源：微型機與應用2011年第10期

龔躍玲，汪玲彥

(武漢理工大學自動化學院，湖北武漢430070)

摘要： 針對一般USB裝置只能在PC機周圍進行數據通信的限制，提出了基于USB OTG接口與STM32微控制器相結合的智能通信的設計方法。該方法是在基于Cortex內核的32 bit RAM芯片STM32F107上集成USB OTG接口上實現，它利用了STM32集成度高、成本低、功耗低、開發方便、性能可靠和USB OTG雙角色特性等優點,解決了無PC機時USB從設備之間數據傳送難的問題。并在金牛開發板上實現它與PC機以及U盤之間的通信，完成了USB嵌入式設備之間數據的傳輸。

關鍵詞： 微處理器|微控制器 USB OTG STM32F107 U盤 Cortex-M3

Abstract：

Key words :

    移動數據的交換和存儲, 是近年來IT行業的熱點。隨著USB技術的產生，USB技術已逐漸應用在移動數據領域中。目前使用的USB移動設備都只能通過PC機進行相互的文件和數據交換。隨著USB技術的逐漸成熟，人們希望通過移動設備直接與USB外設通信, 使得USB能應用在沒有PC的領域中。
   USB OTG(On The Go)[1]可滿足這些要求，即一個擁有OTG 功能的設備既可以扮演主機的角色操縱其他USB從設備，同時又可以擔當從設備的角色接受主機的支配。例如,照相機可以直接連到USB打印機上打印數據。當今USB主機的嵌入式應用就成了USB領域新的研究焦點。該技術對于便攜式設備、野外作業設備間的數據傳輸將是一個重要突破?；?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.com/tags/Cortex-M3" title="Cortex-M3" target="_blank">Cortex-M3內核的STM32系列的ARM嵌入式處理器因其高的性價比而正被廣泛應用。將USB與ARM相結合是進行數據采集、處理與傳輸的理想解決方案。本文重點討論基于STM32的USB OTG的數據通信。
1 USB OTG規范
    USB OTG規范是USB 2.0規范的補充，它完全遵守USB 2.0規范的外圍設備。在USB OTG規范之下, 任意兩個符合規范的USB產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, 從而實現了各類USB產品完全脫離電腦進行數據傳輸的功能。
    雙重角色設備必須具備有限的主機能力，同時還需要一個OTG目標列表，即包括與之通信的設備信息、設備類型、制造商等。它支持會話請求協議SRP和主機交換協議HNP。SRP協議用于B設備向A設備請求開始USB會話, HNP協議用于USB會話過程中在A設備和B設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架構上研發出32 bit STM32處理器后，憑借其豐富的外圍模塊、高速指令執行速度、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芯片內集成了USB OTG模塊功能圖如圖1所示。

    USB OTG全速控制器從復位和時鐘控制模塊(RCC)中獲得時鐘，微控制器內核(CPU)通過AHB外設總線訪問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核[3]。
    每個發送FIFO都配置了一個PUSH寄存器，微控制器以向PUSH寄存器寫32 bit數據的方式向USB控制器傳輸數據，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數據，這些數據自動從共享的接收FIFO中載入，接收FIFO位于總共1.25 KB的USB數據RAM區。
    USB協議層由串行接口控制器(SIE)驅動，并連接到由內置物理層(PHY)支持的USB全速/低速收發模塊。OTG PHY由OTG全速控制器控制，并通過UTMI+總線(UTMIFS)的全速子集來收發控制和數據信號。它包括了上拉/下拉電阻的ECN電路。內置了ID線的上拉電阻，用于區分是主機狀態還是設備狀態，若ID線浮空，內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的設備模式下。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線內置了上拉和下拉電阻[4]，在設備模式下，當VBUS線上出現了有效的電平，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商協議(HNP)切換角色類型時動態地切換。
3 USB OTG軟件設計
    STM32F107芯片集成了USB OTG功能，USB OTG固件程序的設計可以完成數據傳輸的所有操作及功能。其結構圖如圖2所示。其中驅動程序棧包括主機驅動程序棧、從機驅動程序棧、USB OTG驅動程序棧。當完成固定程序設計后，系統軟件會根據硬件的連接檢查ID線的狀態來選擇工作模式是設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，則進行相應初始化、檢測端口，在檢測到有設備接入時復位總線、枚舉并配置從機設備，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協議(即是否為兩用OTG設備)。當工作在從機狀態時則等待主機對其完成枚舉。本文是在STM32開發工具RealView MDK的基于STM32固件庫上進行開發，實現與U盤、PC機間的通信。
3.1 U盤讀寫的實現
    U盤屬于USB 大容量存儲設備，它具有容量大、可移動、數據交互方便等優點，因而實現與U盤的讀寫具有很強的應用價值和市場前景。要實現U盤讀寫，USB 主機必須具有相應的驅動[5],對各種讀寫指令進行封裝、解釋和執行。
   在系統進入主機模式前應先給開發板提供5 V供電,開啟系統時鐘、USB OTG時鐘,然后調用void HOST_Init (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev)函數將USB OTG初始化為主機模式，接著調用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、期望接收到的數據包數、設備端點傳輸類型、速度、方向的配置。最后根據主機傳輸協議在初始化通道內進行傳輸,可以調用下列函數uint32_t HOST_StartXfer (USB_OTG_CORE_DEVICE *pdev, USB_OTG_HC *pHostChannel)進行通信。
    U盤是大容量存儲設備，支持Bulk-Only 傳輸協議，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備的信息，然后根據這些信息對從設備進行重配置后, 才能建立主從通信。此外, 程序中還要實現標準Mass Storge 類協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,它兼容了FAT16、FAT32文件系統，它是UFI 與移動盤上文件數據連接的橋梁, UFI命令的所有數據流只有按照FATFS 標準協議傳輸, 才能順利實現文件讀、寫等功能。
    程序中實現U盤的BOT傳輸，除了規定控制傳輸端點0之外，還定義了輸入、輸出端點，BOT狀態機的5個狀態，兩個狀態寄存器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，系統作為USB從設備時, 要應答PC主機的標準請求、處理USB總線事務和用戶功能[6]。首先調用void USB_OTG_USBD_Init ()將USB OTG工作模式配置成從機模式，接著調用底層驅動API函數USB_OTG_USBD_EP_Open ()來激活端點進行數據傳輸，USB OTG定義了三個端點, 程序中定義端點0在控制傳輸中應答設備枚舉，端點1的功能為向PC機發送數據, 端點2的功能為接受PC機發送的數據。PC主機枚舉系統設備時, 必須先獲得USB OTG端點的配置參數。最后通過調用如下的PCD層API函數完成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();
   本文采用意法半導體公司互聯型控制芯片STMF107集成的USB OTG接口, 在基于金牛開發板上實現了從設備和主機的數據傳輸，作為從設備, PC機端的應用程序可以通過USB OTG 開發板的SDRAM進行數據的讀寫，可穩定在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，其開發系統性能好、可靠性高、開發方便，開發者只需在軟件上編程實現數據傳輸。同時STM32芯片提供了相關固件庫，在此基礎上進行開發提高了效率。本文的創新點就在于充分結合和利用了STM32處理器低成本、低功耗、高可靠性與USB OTG技術的優點，對于已經編程實現的主機、從機棧程序有很好的移植性，對于以后數據傳輸的開發具有很好的參考性。將USB與STM32相結合實現USB嵌入式設備之間的數據傳輸，將會在移動數據傳輸領域具有很好的應用前景。
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規范及開發指南[M].北京:北京航空航天大學出版社, 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：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] ST Microelectronics. STM32 Reference manual[Z].2009.
[5] 宋宇寧,周兆英,趙煥軍. USB OTG 擴展子板的實現[J].電子技術應用，2006,32(5):2-3.
[6] 張洪波,江海河,賈先德. USB OTG 技術在數據采集系統的應用[J]. 微計算機信息，2006,(22):2-3.

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