MAX3420E系統(tǒng)調(diào)試

摘要：本應(yīng)用筆記列出了保證MAX3420E正常工作需要的詳細(xì)檢查步驟，包括系統(tǒng)的檢查過程和調(diào)試提示。

引言

當(dāng)您設(shè)計(jì)了一塊電路板，將MAX3420E與您喜愛的微控制器整合在一起。加電，插入USB，不能正常工作...，怎么辦? 本文為您提供了答案。

第一次調(diào)試USB外設(shè)器件時(shí)，會(huì)面臨很大的挑戰(zhàn)。要使MAX3420E能夠正常工作，首先需要按下列步驟進(jìn)行檢查。

檢查USB 'B'型連接器的引腳

這是最容易出錯(cuò)的地方―視圖是頂視圖還是底視圖? 引腳1在哪里? 如果您不是機(jī)械工程師，這些視圖會(huì)讓人感覺無所適從。圖1和圖2可幫您解決這一問題。

圖1. USB B型連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2. B型連接器的引腳位置，從PCB的下面看。

圖3. USB電纜線連接器

應(yīng)采用歐姆表來檢查MAX3420E和USB連接器之間的連線。特別注意D+和D-。二者很容易搞反。請(qǐng)注意，MAX3420E與連接器D+和D-引腳之間有33電阻。對(duì)于這么小的電阻，大部分測試是否接通的儀表都會(huì)發(fā)出“嘀嘀”聲。如果需要檢查USB電纜，請(qǐng)參考圖3。

USB“完整性”檢查

本節(jié)闡述設(shè)備與USB的連接情況。完整性檢查給出了D+和D-線的工作情況，在沒有USB總線分析儀的情況下，這種方法非常有效。

復(fù)位處理器，將電纜連接至PC USB端口，初始化代碼執(zhí)行完畢后，在設(shè)置CONNECT位的語句前停止運(yùn)行。該語句如下：

wreg(rUSBCTL,bmCONNECT);	// Connect to USB

在執(zhí)行該語句之前，D+和D-應(yīng)均為低電平。這是因?yàn)殡娎|的主機(jī)側(cè)電路通過15k電阻將這些信號(hào)下拉至地。現(xiàn)在，單步執(zhí)行CONNECT語句后，MAX3420E在D+和VCC (3.3V)之間接入一個(gè)1.5k內(nèi)部電阻。此時(shí)，D+應(yīng)變?yōu)楦唠娖剑浜髸?huì)出現(xiàn)一些突發(fā)脈沖(圖4)。

圖4. 設(shè)置CONNECT = 1時(shí)，D+變?yōu)楦唠娖剑⒊霈F(xiàn)一些突發(fā)脈沖。

上面的波形是D+，下面的是D-。該突發(fā)波形持續(xù)約18s，然后消失。D+保持高電平，D-保持低電平，然后彈出下面的Windows XP消息框(圖5)：

圖5. Windows XP提示消息

怎么回事?
請(qǐng)注意，程序?yàn)閱尾綀?zhí)行。到目前為止所作的只是連接了D+上拉電阻。該上拉提示PC有新的USB設(shè)備剛剛插入，因此PC開始向該設(shè)備發(fā)送信號(hào)，確定設(shè)備類型。這就是圖4中的脈沖信號(hào)。由于微控制器代碼停止運(yùn)行，因此不會(huì)命令MAX3420E做出任何響應(yīng)。PC由于沒有收到響應(yīng)信號(hào)，最終決定(18秒后)忽略該設(shè)備。D+為高電平和D-為低電平的總線狀態(tài)稱為“USB總線掛起”或者“掛起”。主機(jī)停止發(fā)送任何信號(hào)，MAX3420E的D+上拉電阻保持D+信號(hào)為高電平。

圖6. 總線工作情況說明(沒有畫出NAK)

圖6所示為利用LeCroy Instruments (LeCroy兼并了CATC，CATC是該分析儀的最初生產(chǎn)商)的USB總線分析儀測得的總線過程。當(dāng)PC探測到設(shè)備插入后(CONNECT = 1)，它發(fā)出一個(gè)USB總線復(fù)位信號(hào)(沒有畫出)。然后，在Transfer 0，它發(fā)出一個(gè)“GET_DESCRIPTOR”請(qǐng)求以獲取“DEVICE”類型。5.687s之后，PC發(fā)出第二個(gè)USB總線復(fù)位信號(hào)，再嘗試5.578s，要求得到設(shè)備描述符。PC第三次復(fù)位總線，再嘗試5.580s，然后掛起總線并放棄嘗試。由于沒有運(yùn)行固件，設(shè)備不會(huì)聽取或應(yīng)答(ACK) PC的請(qǐng)求。

圖7. 圖6中第一次傳輸過程展開后的數(shù)據(jù)包和NAK握手信號(hào)

為清晰起見，圖6沒有畫出MAX3420E回送的NAK (非應(yīng)答)握手信號(hào)。圖7將第一次傳輸過程展開，詳細(xì)地顯示數(shù)據(jù)包。現(xiàn)在可以看到Transfer 0以下面三個(gè)封包開始：

1. 主機(jī)向剛剛連上的設(shè)備 在這種情況下，USB發(fā)送地址0)發(fā)送一個(gè)SETUP包(63)。
2. 主機(jī)發(fā)送一個(gè)DATA包(64)，包含一個(gè)8字節(jié)“操作碼”。
3. 外設(shè)(MAX3420E)回送一個(gè)ACK包(65)，確認(rèn)無差錯(cuò)地收到兩個(gè)主機(jī)封包。

如果打開含有MAX3420E的系統(tǒng)，插入U(xiǎn)SB，設(shè)置CONNECT = 1 (但是不再進(jìn)行其他操作)，MAX3420E將發(fā)出ACK握手包(上面第3步的65字節(jié)包)。MAX3420E硬件自動(dòng)應(yīng)答CONTROL傳輸?shù)腟ETUP階段，這是由USB規(guī)范規(guī)定的。

接下來，主機(jī)開始發(fā)送IN請(qǐng)求，并從Transaction 1開始。對(duì)應(yīng)每個(gè)IN請(qǐng)求，MAX3420E回送NAK (非應(yīng)答)握手信號(hào)。這是因?yàn)檫€沒有運(yùn)行程序，因此，與MAX3420E連接的微控制器不會(huì)收到SUDAV IRQ (Setup數(shù)據(jù)就緒中斷請(qǐng)求)。

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注意：MAX3420E通過置位SUDAV IRQ，提示微控制器收到了SETUP包。該信息通知微控制器需要對(duì)數(shù)據(jù)包解碼，并回送要求的數(shù)據(jù)作為響應(yīng)。

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這些IN-NAK過程持續(xù)5.687s，此時(shí)PC會(huì)復(fù)位總線，開始第二次嘗試。圖4中的脈沖信號(hào)即是IN-NAK過程。如果仔細(xì)觀察示波器，5s后波形將略有變化―這對(duì)應(yīng)總線復(fù)位(D+和D-同時(shí)置低約30ms)，其后是另一個(gè)SETUP包。然后，IN-NAK再持續(xù)5s。

供參考：另一個(gè)分析儀

圖8. Beagle分析儀

產(chǎn)生圖6和圖7波形的USB總線分析儀可能超出了您的預(yù)算。盡管本應(yīng)用筆記假設(shè)您只有一個(gè)示波器和歐姆表，我們還是強(qiáng)烈建議在USB開發(fā)過程中使用USB總線分析儀。我們使用的LeCroy/CATC具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括友好的界面和豐富的軟件，最重要的是它享有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)USB測量工具的美譽(yù)。通過比對(duì)CATC波形來確定實(shí)際情況，解決了許多爭論不休的問題(硬件、軟件和芯片等)?？偩€總是如實(shí)反映情況。

幸虧現(xiàn)在有低成本USB分析儀。圖8所示為Beagle-USB的屏幕截圖。Beagle分析儀能夠以比LeCroy/CATC低很多的價(jià)格顯示總線的工作情況。如果對(duì)比圖8中的Index 10和圖6中的64字節(jié)數(shù)據(jù)包，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們顯示了完全相同的SETUP數(shù)據(jù)包。

檢查進(jìn)程

如果觀察到了圖4中的信號(hào)，已經(jīng)可以確定USB連接器的連線是正確的，而且MAX3420E供電正常。如果還沒有觀察到該顯示，可以嘗試以下措施：

• 測量MAX3420E的RES#引腳，確定其為高電平。
• 測量晶振，確保其振蕩頻率為12MHz。必須是12MHz ±0.25%才能滿足USB規(guī)范。如果超出容限，檢查所連接的負(fù)載電容是否與并聯(lián)諧振晶體所規(guī)定的電容一致(通常采用18pF)。
• 檢查VCC是否為3.3V。
• 檢查系統(tǒng)接口電壓VL。確保不超過3.6V。
• 如果由VBUS通過一個(gè)3.3V穩(wěn)壓器對(duì)MAX3420E的VCC引腳供電，確定連接了USB。否則，MAX3420E的VCC無法供電。

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注意：由于固件運(yùn)行與否和USB電纜連接無關(guān)，因此，與總線供電的設(shè)計(jì)相比，調(diào)試自供電設(shè)計(jì)要簡單一些?？梢韵炔捎猛獠?a target="_blank">電源對(duì)樣機(jī)供電。如果需要，以后可以再轉(zhuǎn)為總線供電。

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下一步檢查您的控制器是否能夠成功地通過SPI總線與MAX3420E寄存器組進(jìn)行通信。

檢查rreg()和wreg()。
編寫任何程序，無論是采用Maxim的實(shí)例代碼還是自己從頭開始編寫代碼，都需要使用讀寫MAX3420E寄存器的函數(shù)。下面的例子使用了這些函數(shù)原型：

unsigned char rreg(BYTE r);   // Read a MAX3420E register byte
void wreg(BYTE r,BYTE v);     // Write a MAX3420E register byte

在調(diào)試處理USB傳輸?shù)拇a前，先編寫一個(gè)簡單的子程序來測試這些函數(shù)。參見圖9的例子：

圖9. 單步執(zhí)行，檢查“rd” 8次，驗(yàn)證SPI接口與MAX3420E的通信情況。

圖9中的測試代碼先復(fù)位MAX3420E，然后向USBIEN寄存器寫入每字節(jié)移動(dòng)1位的8個(gè)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)中有一位置位，從00000001開始，然后是00000010，最終以10000000結(jié)束。單步執(zhí)行該函數(shù)，檢查“rd”值8次，確定其值為0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40和0x80。如果是這樣，則可以確定SPI接口寄存器的寫和讀操作均正常。如果能夠?qū)懭險(xiǎn)SBIEN寄存器，并可靠的讀回其內(nèi)容，那么就可以讀寫所有的MAX3420E寄存器。

圖10. 采用MAXQ2000微控制器的Rowley CrossStudio開發(fā)工具，單步執(zhí)行，檢查變量值。將光標(biāo)指向“rd”，其數(shù)值會(huì)彈出。

圖10所示為采用CrossStudio調(diào)試MAXQ2000微控制器的屏幕截圖。將光標(biāo)指向“rd”變量時(shí)，將激活彈出窗口(截圖沒有顯示光標(biāo))。單步執(zhí)行代碼時(shí)，可采用這種方式來查看任何變量。

測試代碼首先設(shè)置微處理器SPI端口。對(duì)應(yīng)每種微處理器類型和特定IO引腳分配，SPI_Init()函數(shù)各不相同。然后，代碼向PINCTL寄存器寫入0x10，設(shè)置MAX3420E SPI接口為全雙工工作模式。這將置位FDUPSPI位。代碼置位CHIPRES位，然后對(duì)其清零，使MAX3420E處于已知的狀態(tài)。建議在代碼的開始部分包含芯片復(fù)位功能，從而在每一個(gè)調(diào)試周期的開始使MAX3420E處于已知的狀態(tài)。

如果圖10中的代碼沒有產(chǎn)生正確的結(jié)果，應(yīng)檢查SPI信號(hào)，確定其工作是否正常。

圖11. 執(zhí)行第一次wreg()調(diào)用

測試程序test_SPI()中的第一次wreg()調(diào)用，向MAX3420E的寄存器17寫入數(shù)值0x10。SPI總線的波形應(yīng)與圖11所示一致。

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注意：圖11所示的波形使用SPI模式(0,0)，在SCLK的上升沿采樣SPI數(shù)據(jù)，SCLK的空閑電平為低電平。SPI接口不同，顯示的波形會(huì)有不同的脈沖持續(xù)時(shí)間，但是對(duì)應(yīng)SCLK上升沿的數(shù)值應(yīng)該相同。

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每次訪問SPI的第一個(gè)字節(jié)是命令字節(jié)，其字節(jié)格式如圖12所示。注意圖11中對(duì)應(yīng)前一部分SLCK上升沿的MOSI波形，位模式10001010指定寄存器17 (第7位至第3位是10001，數(shù)值為17)。同樣，第1位為高電平，表明是寫操作。第二個(gè)字節(jié)的位模式是00010000。這是寫入寄存器17的數(shù)據(jù)，即0x10 (只有第4位FDUPSPI寄存器位置位)。因此，該SPI訪問將0x10寫入寄存器17，置位FDUPSPI位。

圖12. MAX3420E命令字節(jié)格式

得到這些波形的一種簡單方法是設(shè)置示波器或者邏輯分析儀在SS#的下降沿觸發(fā)，單步執(zhí)行wreg()調(diào)用。

圖13. 第一次寫入U(xiǎn)SBIEN寄存器(test_SPI函數(shù))

test_SPI()中的下一條語句是rreg()函數(shù)。第一次進(jìn)入循環(huán)體時(shí)，將數(shù)值0x01寫入U(xiǎn)SBIEN寄存器，如圖13所示。

圖14. 第一次調(diào)用rreg()函數(shù)

然后，test_SPI()函數(shù)讀回USBIEN寄存器的數(shù)值，第一次通過循環(huán)體時(shí)，應(yīng)等于1 (圖14)。每次通過循環(huán)體時(shí)，寫入和讀回的位應(yīng)向左移動(dòng)一個(gè)SCLK邊沿。

MAX3420E寄存器寫和讀操作驗(yàn)證完畢后，可以進(jìn)一步調(diào)試程序。到目前為止所有的檢查步驟均屬于“完整性檢查”?，F(xiàn)在，我們開始實(shí)際處理USB通信功能的第一步：需要處理器響應(yīng)不同的MAX3420E中斷請(qǐng)求位。

IRQ位設(shè)置

似乎應(yīng)該USB總線通信開始后MAX3420E才會(huì)置位中斷請(qǐng)求位。實(shí)際上，當(dāng)MAX3420E上電時(shí)，就會(huì)有IRQ位置位，當(dāng)插入U(xiǎn)SB電纜和設(shè)置CONNECT = 1時(shí)，又有其他IRQ位置位。下面介紹該啟動(dòng)過程的中斷請(qǐng)求情況。

完成復(fù)位
當(dāng)MAX3420E完成復(fù)位后，即使還沒有插入U(xiǎn)SB，某些中斷請(qǐng)求位就會(huì)置位。這些位是：

EPIRQ寄存器:

• IN3BAVIRQ
• IN2BAVIRQ
• IN0BAVIRQ

EPIRQ寄存器的初始值應(yīng)為0x19。MAX3420E置位這三個(gè)IRQ位，指示三個(gè)IN端點(diǎn)FIFO已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可以裝入數(shù)據(jù)。BAV表示“Buffer Available”。

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ

USBIRQ寄存器的初始值應(yīng)為0x01。上電時(shí)，MAX3420E啟動(dòng)其片內(nèi)振蕩器。振蕩器穩(wěn)定后，MAX3420E置位OSCOKIRQ位，指示已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行工作。如果程序沒有通過OSCOKIRQ位檢查，請(qǐng)確定VCC引腳電壓為3.3V。VCC為振蕩器供電。

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注意：MAX3420E IRQ寄存器位不論其對(duì)應(yīng)的使能位(在EPIEN和USBIEN寄存器中)是否置位，均可有效置位。使能位決定是否將請(qǐng)求位傳送到驅(qū)動(dòng)INT引腳的邏輯電路。參見應(yīng)用筆記3661，MAX3420E中斷系統(tǒng)，了解更詳細(xì)的信息。

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USB插入后
插入U(xiǎn)SB (CONNECT = 0)后，即使USB沒有通信，仍有一些USBIRQ位會(huì)置位。EPIRQ位與上面的情況一致，但是更多的USBIRQ位將置位：

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ
• VBUSIRQ (可能)

VBUSIRQ位指示MAX3420E通過檢測VBCOMP引腳上的5V信號(hào)，探測到插入了USB電纜。這假定您已經(jīng)將USB連接器的VBUS引腳連接至MAX3420E微控制器(VBUS比較器)的輸入引腳。

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注意：USB連接器的VBUS引腳接MAX3420E的VBCOMP輸入引腳是可選項(xiàng)。VBCOMP引腳不對(duì)MAX3420E內(nèi)部供電。它只連接至內(nèi)部VBUS比較器。

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設(shè)置CONNECT = 1之后
連接USB使主機(jī)發(fā)出一個(gè)總線復(fù)位信號(hào)，產(chǎn)生Get_Descriptor-Device請(qǐng)求，最終掛起總線。這些操作會(huì)置位USBIRQ寄存器中的更多IRQ位。注意，USB總線復(fù)位將清除VBUSIRQ位。

EPIRQ寄存器:

• IN3BAVIRQ
• IN2BAVIRQ
• IN0BAVIRQ
• SUDAVIRQ (通信開始后)

USBIRQ寄存器:

• OSCOKIRQ
• URESIRQ
• URESDNIRQ
• SUSPIRQ (最后)

如果將VBUS接VBCOMP引腳，USBIRQ寄存器讀數(shù)為0x8D，并持續(xù)約20s，然后由于主機(jī)掛起總線，讀數(shù)變?yōu)?x9D。

接下來的情況會(huì)取決于您的代碼。如果您觀察到的情況和前面吻合，則表明系統(tǒng)一切正常，可以繼續(xù)往下檢查您的代碼。

調(diào)試方法：通過3個(gè)步驟觸發(fā)中斷

剩下的檢查是確保固件能夠正確響應(yīng)PC發(fā)出的不同USB請(qǐng)求命令，并由MAX3420E給出相應(yīng)信號(hào)。如果啟動(dòng)程序，插入U(xiǎn)SB后，什么也沒有發(fā)生(可能會(huì)出現(xiàn)Windows USB錯(cuò)誤消息)，那么可能是您的程序沒有處理中斷。下面的調(diào)試方法可以幫助解決這些中斷問題。

第1步: 輪詢IRQ位
首先，編寫代碼直接輪詢IRQ位，當(dāng)關(guān)心的IRQ位置位后，使處理器進(jìn)行相應(yīng)操作。即使主程序循環(huán)進(jìn)行直接輪詢，也最好使能中斷(各IEN位 = 1和IE = 1)。這樣可以通過觀察MAX3420E INT引腳來了解其工作情況。這一步有效地取消了微控制器中斷系統(tǒng)(和代碼)檢查，使您能夠集中精力實(shí)現(xiàn)正確的USB功能。當(dāng)連續(xù)讀取EPIRQ和USBIRQ寄存器時(shí)，不必?fù)?dān)心浪費(fèi)的SPI周期―這一步的目的是使USB正常工作。

第2步: 輪詢INT引腳狀態(tài)
一旦USB工作正常后，進(jìn)行第二步，修改程序來輪詢MAX3420E INT引腳狀態(tài)，檢查懸掛的中斷。如果第1步已經(jīng)驗(yàn)證了程序，那么在程序主循環(huán)中有部分代碼一直讀取EPIRQ和USBIRQ寄存器，檢查懸掛的中斷。插入輪詢微控制器中斷引腳狀態(tài)(連接在MAX3420E INT引腳上)的語句，修改第1步的連續(xù)檢查。如果MAX3420E INT引腳未產(chǎn)生中斷，可以跳過讀取EPIRQ和USBIRQ寄存器的語句。這種簡單的檢查方式極大地減少了微控制器和MAX3420E之間的SPI數(shù)據(jù)流量，這是因?yàn)橹挥蠭RQ位置位時(shí)，才對(duì)其進(jìn)行測試。

第3步: 檢查微控制器中斷程序
第3步也是最后一步，將MAX3420E整合到微處理器的中斷系統(tǒng)中。這通常要寫一個(gè)中斷向量，以自動(dòng)將程序執(zhí)行位置指向MAX3420E處理程序。