基于STM32的通信

目前使用的USB移USBOTG(OnTheGo)[1]可满足这些要求，即一个拥有OTG功能的设备既可以扮演主机的角色操纵其他USB从设备，同时又可以担当从设备的角色接受主机的支配。该技术对于便携式设备、野外作业设备间的数据传输将是一个重要突破。基于Cortex-M3内核的STM32系列的ARM嵌入式处理器因其高的性价比而正被广泛应用。将USB与ARM相结合是进行数据采集、处理与传输的理想解决方案。本文重点讨论基于STM32的USBOTG的数据通信。本文的创新点就在于充分结合和利用了STM32处理器低成本动设备都只能通过PC机进行相互的文件和数据交换。人们希望通过移动设备直接与USB外设通信,使得USB能应用在没有PC的领域中。USBOTG(OnTheGo)[1]可满足这些要求，即一个拥有OTG功能的设备既可以扮演主机的角色操纵其他USB从设备，同时又可以担当从设备的角色接受主机的支配。该技术对于便携式设备、野外作业设备间的数据传输将是一个重要突破。基于Cortex-M3内核的STM32系列的ARM嵌入式处理器因其高的性价比而正被广泛应用。将USB与ARM相结合是进行数据采集、处理与传输的理想解决方案。本文重点讨论基于STM32的USBOTG的数据通信。本文的创新点就在于充分结合和利用了STM32处理器低成本、低功耗、高可靠性与USBOTG技术的优点，对于已经编程实现的主机、从机栈程序有很好的移植性，对于以后数据传输的开发具有很好的参考性。将USB与STM32相结合实现USB嵌入式设备之间的数据传输，将会在移动数据传输领域具有很好的应用前景。1USBOTG规范USBOTG规范是USB2.0规范的补充，它完全遵守USB2.0规范的外围设备。在USBOTG规范之下,任意两个符合规范的USB产品都可以互相连接进行通信,而不是必须通过PC机才能通信,从而实现了各类USB产品完全脱离电脑进行数据传输的功能。双重角色设备必须具备有限的主机能力，同时还需要一个OTG目标列表，即包括与之通信的设备信息、设备类型、制造商等。它支持会话请求协议SRP和主机交换协议HNP。SRP协议用于B设备向A设备请求开始USB会话,HNP协议用于USB会话过程中在A设备和B设备之间传递主机地位[2]。2STM32的USBOTG全速控制器ST公司在基于ARM公司的Cortex-M3架构上研发出32bitSTM32处理器后，凭借其丰富的外围模块、高速指令执行速度、低功耗、低价格而备受市场青睐。2009年又推出了STM32F107互联型系列微控制器，它集成了USBOTG接口，配合了USBHOST和SPI功能，让微控制器可以读取USB大容量外存、MP3播放器、SD记忆卡等文件USBOTG(OnTheGo)[1]可满足这些要求，即一个拥有OTG功能的设备既可以扮演主机的角色操纵其他USB从设备，同时又可以担当从设备的角色接受主机的支配。该技术对于便携式设备、野外作业设备间的数据传输将是一个重要突破。基于Cortex-M3内核的STM32系列的ARM嵌入式处理器因其高的性价比而正被广泛应用。将USB与ARM相结合是进行数据采集、处理与传输的理想解决方案。本文重点讨论基于STM32的USBOTG的数据通信。本文的创新点就在于充分结合和利用了STM32处理器低成本。STM32F107芯片内集成了USBOTG模块功能图如图1所示。USBOTG全速控制器从复位和时钟控制模块(RCC)中获得时钟，微控制器内核(CPU)通过AHB外设总线访问OTG全速控制器的寄存器，USB事件由单独的USBOTG中断控制线通知微控制器内核[3]。每个发送FIFO都配置了一个PUSH寄存器，微控制器以向PUSH寄存器写32bit数据的方式向USB控制器传输数据，每一个OUT端点或IN通道都有一个POP寄存器，微控制器通过读POP寄存器获得来自USB总线的32bit数据，这些数据自动从共享的接收FIFO中载入，接收FIFO位于总共1.25KB的USB数据RAM区。USB协议层由串行接口控制器(SIE)驱动，并连接到由内置物理层(PHY)支持的USB全速/低速收发模块。OTGPHY由OTG全速控制器控制，并通过UTMI+总线(UTMIFS)的全速子集来收发控制和数据信号。它包括了上拉/下拉电阻的ECN电路。内置了ID线的上拉电阻，用于区分是主机状态还是设备状态，若ID线浮空，内置的上拉电阻将检测到ID线的高电平，此时控制器处于默认的设备模式下。若ID线接地。自动切换到主机模式，并需要软件初始化主机模式。DP/DM线内置了上拉和下拉电阻[4]，在设备模式下，当VBUS线上出现了有效的电平，控制器使能DP线的上拉电阻，向主机通告接入一个USB全速设备。在主机模式下，控制器同时使能DP和DM线的下拉电阻。上拉和下拉电阻可以在控制器通过主机协商协议(HNP)切换角色类型时动态地切换。STM32F107芯片集成了USBOTG功能，USBOTG固件程序的设计可以完成数据传输的所有操作及功能。其结构图如图2所示。其中驱动程序栈包括主机驱动程序栈、从机驱动程序栈、USBOTG驱动程序栈。当完成固定程序设计后，系统软件会根据硬件的连接检查ID线的状态来选择工作模式是设备模式还是主机模式。程序流程图如图3所示。如果工作于主机模式下，则进行相应初始化、检测端口，在检测到有设备接入时复位总线、枚举并配置从机设备，在完成对从机识别后，可通过查询从机的OTG性能描述符判断是否支持HNP协议(即是否为两用OTG设备)。当工作在从机状态时则等待主机对其完成枚举。本文是在STM32开发工具RealViewMDK的基于STM32固件库上进行开发，实现与U盘、PC机间的通信。3.1U盘读写的实现U盘属于USB大容量存储设备，它具有容量大、可移动、数据交互方便等优点，因而实现与U盘的读写具有很强的应用价值和市场前景。要实现U盘读写，USB主机必须具有相应的驱动[5],对各种读写指令进行封装、解释和执行。在系统进入主机模式前应先给开发板提供5V供电,开启系统时钟、USBOTG时钟,然后调用voidHOST_Init(USB_OTG_CORE_DEVICE*pdev)函数将USBOTG初始化为主机模式，接着调用HOST_ChannelInit(USB_OTG_CORE_DEVICE*pdev,USB_OTG_HC*pHostChannel)初始化传输通道，其中包括总传输长度、期望接收到的数据包数、设备端点传输类型、速度、方向的配置。最后根据主机传输协议在初始化通道内进行传输,可以调用下列函数uint32_tHOST_StartXfer(USB_OTG_CORE_DEVICE*pdev,USB_OTG_HC*pHostChannel)进行通信。U盘是大容量存储设备，支持Bulk-Only传输协议，USB主机在能够正确操纵U盘之前必须先完成USB总线的枚举，在控制传输阶段先获取从设备的信息，然后根据这些信息对从设备进行重配置后,才能建立主从通信。此外,程序中还要实现标准MassStorge类协议中的磁盘操作命令UFI,它能完成读、写、格式化磁盘等。最后建立了FATFS文件系统,它兼容了FAT16、FAT32文件系统，它是UFI与移动盘上文件数据连接的桥梁,UFI命令的所有数据流只有按照FATFS标准协议传输,才能顺利实现文件读、写等功能。程序中实现U盘的BOT传输，除了规定控制传输端点0之外，还定义了输入、输出端点，BOT状态机的5个状态，两个状态寄存器CBW、CSW。端点输出中断程序完成写U盘，端点输入完成读U盘操作。其流程图分别如图4、图5所示。3.2与PC机之间通信与PC机进行通信，系统作为USB从设备时,要应答PC主机的标准请求、处理USB总线事务和用户功能[6]。首先调用voidUSB_OTG_USBD_Init()将USBOTG工作模式配置成从机模式，接着调用底层驱动API函数USB_OTG_USBD_EP_Open()来激活端点进行数据传输，USBOTG定义了三个端点,程序中定义端点0在控制传输中应答设备枚举，端点1的功能为向PC机发送数据,端点2的功能为接受PC机发送的数据。PC主机枚举系统设备时,必须先获得USBOTG端点的配置参数。最后通过调用如下的PCD层API函数完成SETUP包、IN包、OUT包的传输。uint32_tUSB_OTG_USBD_EP_Read();uint32_tUSB_OTG_USBD_EP_Write();uint32_tUSB_OTG_USBD_EP_Stall();uint32_tUSB_OTG_USBD_EP_ClrStall();uint32_tUSB_OTG_USBD_EP_Flush();本文采用意法半导体公司互联型控制芯片STMF107集成的USBOTG接口,在基于金牛开发板上实现了从设备和主机的数据传输，作为从设备,PC机端的应用程序可以通过USBOTG开发板的SDRAM进行数据的读写，可稳定在500kb/s;作为主机,可以枚举连接到USBOTG接口上的U盘实现了对U盘的读写,最高读写速率可达800kb/s。本文利用了STM32F107芯片高度集成的USBOTG接口，其开发系统性能好、可靠性高、开发方便，开发者只需在软件上编程实现数据传输。同时STM32芯片提供了相关固件库，在此基础上进行开发提高了效率。