本設計的首要目的就是，尋找一種快捷的方法來調整音量或者暫停播放，而不需要移動鼠標來尋找Windows Media Player窗口。該系統(tǒng)插在USB端口上，只有一個旋鈕起主要作用。旋轉這個按鈕可以調節(jié)音量。按一次旋鈕暫停播放，再按一次開始播放。由于該旋鈕掌控主要的Windows音量控制，因此，它可以調節(jié)任何當前播放聲音的音量，例如，電子郵件提示音或者是游戲聲音。該音量控制器即使在Windows播放器不是當前操作窗口的情況下也仍然對其有效。為了省去設計底層驅動程序的工作，把該器件設計成USB人機接口設備(HID)。把HID接入Windows系統(tǒng)，它就可以工作了。

　　1 低成本的USB系統(tǒng)

　　系統(tǒng)設計中最重要的一點是，選

　　這里簡單介紹一下MAX3420。它是Maxim公司推出的一種全速USB（12 Mbps）外設控制器，支持USB2.0協(xié)議。MAX3420內建全速收發(fā)器，支持±15 kV的ESD保護，可以編程控制USB總線的連接和斷開；內含的串行接口引擎可以控制底層的USB協(xié)議細節(jié)，如錯誤校驗和總線重連接。MAX3420通過SPI接口操作其內部寄存器，工作頻率為26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根線便可增加USB功能。

　　圖1是本系統(tǒng)的電路原理。U1是USB控制器MAX3420E。U2是MAX6349TL，它可提供3.3 V、150 mA的輸出，具有上電復位(POR)電路，可直接與MAX3420E的RES引腳連接。在USB外設這樣的熱插拔設計中，良好的外部POR電路非常重要。與USB連接頭上的 VBUS5 V信號相連接，并且將其調整至MAX3420E和ATtiny13所需的3.3 V。旋轉編碼器和發(fā)光二極管與MAX3420E的通用I/O引腳相連接。連接器J2用于ATtiny的調試和編碼輸入。電阻R1將編程/輸入復位同系統(tǒng)復位隔開。上拉電阻R2確保當編程器或ICE使用調試連接器J2時，MAX3420E的SPI端口不被選中。

　　ATtiny13在管理MAX3420E的SPI端口時采用半雙工模式，只使用一個雙向數據引腳。電阻R3可避免在使用這種方式讀取MAX3420E寄存器數據時的爭用問題。在第8個SCLK信號上升沿到來時，MAX3420E的SPI開始對命令字節(jié)的第8位進行采樣，并在第1個數據位到來后立即驅動數據引腳。

　　2 對話式SPI[1]

　　ATtiny13并不包含有SPI硬件單元。MAX3420E的SPI比較簡單，且可以任意速率運行，可以對ATtiny13的I/O引腳進行位響應。

　　MAX3420E在三線、四線或五線SPI情況下都可以工作。另外還有幾個不可省去的信號：串行時鐘信號(SCLK)、從器件選擇(SS)以及雙向數據引腳的主控制器輸出從機輸入/主控制器輸入從機輸出 (MOSI/MISO)信號。本設計中用一條4位的引線把ATtiny13的一個輸入引腳同MAX3420E的INT引腳連接起來，以便節(jié)約碼字空間并使得SPI總線通信量最小。

　　              圖1  音量控制器的電路原理圖

　　3 HID基礎

　　USB HID規(guī)范的主要思想是要定義一個可以和應用程序聯(lián)合應用的傳感器、按鈕和LED的廣泛的類型范圍?！癠SB器件使用者論壇”的“通用串行總線HID用法表”中詳述了數百種用法。HID協(xié)議是雙方面的協(xié)議，HID器件和Windows應用都必須同意使用HID規(guī)范中的特定碼符。HID文件是概念性的但卻有相當復雜的說明。

　　HID外部設備通過發(fā)送報告與Windows進行通信。HID設計的主要任務是要創(chuàng)造出一種可以傳達對操作系統(tǒng)控制意圖的報告格式。對于此項設計，需要對以下幾項進行控制：音量加、音量減、暫停、播放、下一曲目和上一曲目。這幾項中的每一項在HID用法表中都有一個描述項。

    下面的程序是HID報告描述符。它是用從網站www.USB.org.上得到的HID工具程序構建的。

　　.DB 0x05,0x0C
　　;使用頁面（用戶）.DB 0x09,0x01
　　;遠程控制.DB 0xA1,0x01.DB 0x15,0x00
　　;Logical Minimum = 0.DB 0x25,0x01
　　;Logical Maximum = 1.DB 0x09,0xE9
　　;VOL+.DB 0x09,0xEA
　　;VOL-.DB 0x09,0xB1
　　;Pause.DB 0x09,0xB0
　　;Play.DB 0x09,0xB5;檢測下一次
　　.DB 0x09,0xB6;檢測前一次
　　.DB 0x75,0x01;描述符報告大小
　　.DB 0x95,0x06;描述符報告數量
　　.DB 0x81,0x02;輸入描述符報告
　　.DB 0x75,0x01;描述符報告大小
　　.DB 0x95,0x02;描述符報告數量
　　.DB 0x81,0x01.DB 0xC0

　　當主機發(fā)出“獲取描述符報告”要求時，ATtiny13將該表返回給主機。報告描述符的格式是單字節(jié)報告，以使用(VOL+)行開頭的描述符將二進制數據集合到一個以LSB開頭的字節(jié)內?？刂祈椫恍枰?

位，所以該字節(jié)內的最后兩位被賦予0值。描述符報告格式如下：

　　當Windows識別并進行USB枚舉后，為了得到上述格式的單字節(jié)響應，操作系統(tǒng)開始向終端3IN發(fā)送周期性IN請求。該部件監(jiān)控旋轉控制的變化情況，并且當有動作(如音量增加)請求時發(fā)送通信數據；沒有動作請求時，該固件返回0值。

　　MAX3420E簡化了USB修改過程，SPI主控器(即ATtiny13)將報告數據字節(jié)寫入EP3INFIFO(endpoint 3 IN FIFO)的寄存器。然后SPI主控器將數值1寫入EP3INBC(endpoint3IN byte count)寄存器，表示為了響應USB的下一個IN請求，將會傳送1個字節(jié)。傳送發(fā)生后，MAX3420E產生中斷請求，表明下一個字節(jié)的數據可以寫入EP3INFIFO了。

　　下面是完整的傳送程序?？梢詫?strong>音量控制器的HID信息傳送給PC機?？此品浅：唵危窃摼幋a卻包含了很多的HID控制頁面。剩余的代碼實現(xiàn)代碼循環(huán)。該循環(huán)會檢測旋轉控制器，然后點亮發(fā)光二極管。對任意USB外圍器件來說，USB樣板文件代碼需要進行內部處理。這個樣板文件代碼控制著器件的枚舉、懸掛、恢復以及USB總線置零等命令。

　　Send_byte:
　　idi　　MAX_Reg,rEP3INFIFO
　　mov　　MAX_Dat,audio_flags
　　clr　　audio_flags
　　rcall　　wreg
　　idi　　MAX_Reg, rEP3INBC
　　mov　　MAX_Dat,1
　　rjmp　　wreg

　　4 讀取旋轉控制

　　旋轉編碼器用格雷編碼端子A和B分別表示順時針和逆時針旋轉。旋轉控制器與MAX3420E上有內置上拉電阻的GPIN引腳相連。圖2顯示的是左旋和右旋時的開關轉接狀態(tài)。鎖定位置狀態(tài)1和3是控制停止位置?？刂破鹘涍^1個或3個狀態(tài)后，可到下一個鎖定位置。該固件只需對旋鈕旋轉進行譯碼，就可以實現(xiàn)向鎖定狀態(tài)1和3的轉換。例如，實現(xiàn)右旋狀態(tài)轉換需要由3到1或由2到3。

　　圖2  旋轉編碼器的開關連接狀態(tài)

　　5 完善代碼

　　ATtiny13有512字長的程序存儲空間。編碼需要完成以下幾項工作： 首先要對設備進行枚舉。這一步包括對MAX3420主控制器的各種類型的“獲取描述符”請求進行解碼，對對應的表數據進行定位以及對終端零值FIFO進行數據寫入，以將其傳送至固件。

　　編碼時也應該為隨時發(fā)生的USB總線置0以及USB總線的懸掛和恢復進行測試。必須對旋轉控制位置和按鈕開關狀態(tài)進行周期性讀取和譯碼。當主機接受了由EP3IN傳來的用于發(fā)送HID控制數據的信息包后，該代碼還必須為下一次的IN傳送進行終端的數據加載，并為下一次的數據傳輸表明控制端點。

　　為了減小代碼量，設計過程中采用下面的方法： 第一，省去了可選擇性USB串描述符。這些描述符是描述諸如供應商、器件類型等的文本串。這些字符串只是信息性質的，對USB外圍器件的操作來說，沒有任何價值。第二，沒有使用可選擇性USB遙控喚醒部分。這個部分實現(xiàn)起來并不困難（MAX3420E會承擔這項工作的絕大部分），但是卻會占用碼字空間。第三，沒有把HID報告的描述符寫入程序閃存器，而是寫入EEPROM。ATtiny13有64字節(jié)的EEPROM，可以寫入該EEPROM的任意表數據，都會保存在程序閃存器中。

    6 寫入代碼

　　如果只用圖符方式進行此項設計，那么可以用6引腳的J2連接AVRISP2在線程序設計器來下載這些程序模塊。如果想要研究或修改該代碼，也可以把ATJTAGICE2ND（用于AVR系列的完全在線仿真器）連接到J2上。不管使用哪種下載方式，都不要忘記把HEX文件(閃存器代碼)和EEP模塊(EEPROM數據)都寫進去。

　　7 總結[2]

　　現(xiàn)在的電子應用中，USB接口幾乎已經取代了串行接口成為PC機上接口連接的首選。本設計表明：雖然USB比串行端口更為復雜，但是USB連接卻并不需要更多的代碼或者昂貴的微處理器。代碼的絕大部分是USB樣板文件，因此可以在多項設計中重復使用它。另外，USB有巨大的優(yōu)勢：從電纜中獲取電源，自動的“握手”和錯誤檢測以及可以進行熱插拔。如果想要保留已有的MCU和工具，可以采用諸如MAX3420E那樣的基于SPI的USB控制器來搭建USB外圍電路。

　　參考文獻

[1] Maxim公司．MAX3420 datasheet，2005-09-26．
[2] 張弘．USB接口設計[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2002.
[3] 盧珞.羅婷. 基于SPI的USB控制器接口設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006(12): 41-45.