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基于ＵＳＢ接口的數據傳輸系統的研究與設計
【摘 要】數據傳輸是現代通信過程中的一個重要環節。在數據傳輸過程中，不僅要求數據傳輸的準確率要高，而且要求速度快、連接過程簡單。傳統的通信技術是通過數據線和串口/并口將設備連接在一起，這樣就存在連接不方便、受限條件較多等因素；并且傳統的RS232串口通訊和并口通訊都存在傳輸速度低、接口的連接過于復雜等不足之處。而基于USB接口的數據傳輸系統能夠較好的解決這些問題。本文所介紹的一種基于USB接口的數據傳輸系統，利用了USB接口的高傳輸速率、安全性高、即插即用等優點，并結合了現代數據傳輸技術，實現了計算機之間的高速安全的數據通訊，解決了傳統通信技術帶給我們的不便。
【關鍵詞】USB接口 數據傳輸 ARMS3C44BOX 芯片
現代社會生產的各行業和日常生活都需要對各種數據進行傳輸。利用傳統的數據傳輸系統進行數據傳輸,存在速度慢、擴展性差、安裝麻煩、易受各種環境的干擾,在許多場合尤其是便攜式應用場合不方便等缺點。目前廣泛應用的USB2.0接口技術具有安裝方便、帶寬高、成本低、可靠性高、易于擴展等優點。目前USB2.0支持的最高傳輸速度可達到480Mbps,基本能夠滿足日益復雜的高級外設與PC機之間的高性能連接需求,正逐漸成為現代數據傳輸發展的必然趨勢之一。鑒于此,本系統采用USB2.0技術運用ARM芯片進行通信接口的設計。
1 數據傳輸系統的結構設計
基于USB接口的數據傳輸系統總體方案如下圖所示，該系統主要由發射和接收兩部分組成。其中，發射系統由ARM芯片控制射頻發射模塊和ARM控制USB芯片兩部分組成。系統的工作過程為：主機將數據通過USB接口傳給ARM，數據通過ARM的SPI口再傳給射頻發射模塊，最后由射頻發射模塊把數據發射出去。射頻接收端接收到符合的數據包后，通知ARM讀取數據，ARM將數據通過USB接口送給主機，這樣就完成了一個數據包從發射端到接收端的傳輸。
1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的選擇
USB控制器有2類,一種是集成了USB接口的單片機,如Cypress公司生產的EZ2USB (基于8051)系列芯片CY7C68013、CY7C64613等;另一種是單獨的USB控制器,如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581 ,NetChip公司的NET2888 ,National公司的USBN9603、USBN9604等。第一種開發工具雖然編程簡單,但需要購置專門的開發系統,投資較大,并且單片機性能有限；后種芯片的特點是價格低廉、連接方便、可靠性高,但其片上不帶CPU ,必須選擇微處理器來進行協議處理和數據交換。本系統選擇了片上不帶CPU的性價比較高的USB 2. 0控制芯片ISP1581 ,它完全符合USB 2. 0規范,傳輸率可達480 Mbps ,采用ISP1581可以快速開發出高性能的USB2. 0設備,同時為了滿足速度要求,主控器芯片選擇了高性能、低功耗的ARM芯片S3C44BOX。
1.2 ARMS3C44BOX的工作原理
S3C44BOX微處理器是由Samsung Electronics Co.,Ltd為手持設備設計的低功耗、高度集成的基于ARM7TDMI核的微處理器。S3C44BOX具有豐富的內置部件，包括：8KBcache,內部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統管理器（片選邏輯，FP/EDO/SDRAM控制器），代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，ⅡC-BUS接口，ⅡS-BUS接口，同步SIO接口和PLL備頻器。S3C44BOX采用了一種新的總線結構，即SAMBAⅡ（Samsung ARM CPU 嵌入式微處理器總線結構）和0.25um工藝的CMOS標準宏7單元和存儲編譯器。它的低功耗精簡和出色的全靜態設計特別適用與對成本和功耗敏感的應用。
1.2.1 S3C44BOX中斷概述
ARM7TDMI具有外部中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷（Software Interrupt）三種中斷方式，其中外部中斷和快速中斷均是硬件中斷。對于ARM7TDMI內核的微處理器來說，中斷是作為一種異常來處理的。S3C44BOX的中斷控制器可以接收來自30個中斷源的中斷請求。這些中斷源來自DMA、UART、SIO等芯片內部外圍或接口芯片的外部引腳。
中斷控制器的任務是在片內外圍和外部中斷源組成的多重中斷發生時，經過優先級判斷選擇其中的一個中斷，通過FIQ（快速中斷請求）或IRQ（通用中斷請求）向ARM7TDMI內核發出FIQ或IRQ中斷請求。
實際上最初ARM7TDMI內核只有FIQ和IRQ兩種中斷，其他的中斷都是各芯片廠家在設計芯片時定義的，這些中斷根據中斷的優先級高低來進行處理。特別的是，為了解決一般的中斷模式在進入所需的服務程序前需要很長的中斷反應時間的問題，S3C44BOX提供了一種新的中斷模式——矢量中斷模式。它具有CISC結構微控制器的特征，能夠縮短中斷反應時間。
1.2.2 S3C44BOX中斷處理流程
S3C44BOX處理器的中斷處理與其他處理器的處理模式基本上是一致的，只是由于引入了幾種不同的處理器模式，使中斷處理變得更容易。中斷處理的典型步驟如下：
第1步：保存現場。當系統出現中斷時，處理器首先要做的就是保存現場，這一過程包括：
保存當前的PC值到lr(鏈接寄存器)中，保存當前程序運行狀態CPSR到程序狀態保存寄存器SPSR中。由于ARM7TDMI采用了三級流水線結構，此時的PC值實際上等于當前指令地址加上8（ARM指令時），則返回時還需要將保存的PC值減4，得到當前指令的下一條指令。
第2步：模式切換。設置當前程序狀態CPSR中相應的位，使處理器進入相應的執行模式。如當進入FIQ模式時，禁止FIQ中斷。
第3步：獲取中斷源。如IRQ中斷，都從向量地址0x18處開始執行，通常在此地址處放一條跳轉指令，跳轉到中斷程序。
第4步：處理中斷。獲取中斷源后，通過中斷向量表獲取相應中斷的處理程序入口，調用對應的中斷處理函數。
第5步：恢復現場，中斷返回。返回時需要恢復處理器模式，包括恢復中斷處理用到的所有寄存器、恢復被中斷的程序狀態到當前程序狀態CPSR，并跳轉到被中斷的主程序。
2 USB 設備驅動程序的開發
當外設連接到主機上的USB接口時，主機會檢測到新硬件，這時需安裝一個驅動程序，在該驅動程序中包含了一個動態鏈接庫（DLL）。該DLL由四部分組成：Classic Interface Functions、EEPROM Interface、Extended API和FT-Win32 API。Classic Interface Functions中包括FT_Open、FT_Read、FT_Write、FT_Close、FT_SetTimeOuts等函數。
基于W indows2000和X P的U SB設備驅動程序采用W in32設備驅動模型WDM (W in32 D riverModel)。U SB數據采集系統設備驅動程序處于固件程序和用戶態應用程序之間,幫助操作系統識別U SB設備,同時建立主機與設備之間的通信。WDM驅動程序具有規范的模型,我們使用開發工具包D riverStudio s中的D riverWo rk s進行U SB總線驅動程序的開發,利用其向導功能生成驅動程序框架,然后根據具體情況添加適當代碼,經過編譯、調試,構造驅動程序. sys文件。使用D riverWo rk s還可以生成驅動程序的安裝文件( IN F文件) ,用以將USB設備及接口安裝在主機上。這個過程是非常方便、快捷的。
3.結論
隨著數據傳輸技術的飛速發展,在數據傳輸系統中采用USB接口進行數據的高速傳輸已經得到非常廣泛的應用。本系統通過ARM芯片S3C44BOX進行USB接口的控制，在主機端用VB編寫了USB軟件，實現了兩臺設備之間的快速數據傳輸，解決了傳統通信技術的不足，具有很好的應用前景。當然，在基于USB接口的數據傳輸系統中,包括固件程序、WDM設備驅動程序以及用戶態應用程序等在內的軟件設計是非常關鍵的,軟件系統的設計需要建立在相關硬件系統設計的基礎上,兩者只有完美結合才能設計出高效、安全的數據傳輸系統。
參考文獻：
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