应用笔记 3663

MAX3420E系统调试


摘要 : 本应用笔记列出了保证MAX3420E正常工作需要的详细检查步骤,包括系统的检查过程和调试提示。

引言

当您设计了一块电路板,将MAX3420E与您喜爱的微控制器整合在一起。加电,插入USB,不能正常工作...,怎么办? 本文为您提供了答案。

第一次调试USB外设器件时,会面临很大的挑战。要使MAX3420E能够正常工作,首先需要按下列步骤进行检查。

检查USB 'B'型连接器的引脚

这是最容易出错的地方―视图是顶视图还是底视图? 引脚1在哪里? 如果您不是机械工程师,这些视图会让人感觉无所适从。图1图2可帮您解决这一问题。

图1. USB B型连接器内部结构
图1. USB B型连接器内部结构

图2. B型连接器的引脚位置,从PCB的下面看。
图2. B型连接器的引脚位置,从PCB的下面看。

图3. USB电缆线连接器
图3. USB电缆线连接器

应采用欧姆表来检查MAX3420E和USB连接器之间的连线。特别注意D+和D-。二者很容易搞反。请注意,MAX3420E与连接器D+和D-引脚之间有33Ω电阻。对于这么小的电阻,大部分测试是否接通的仪表都会发出“嘀嘀”声。如果需要检查USB电缆,请参考图3

USB “完整性”检查

本节阐述设备与USB的连接情况。完整性检查给出了D+和D-线的工作情况,在没有USB总线分析仪的情况下,这种方法非常有效。

复位处理器,将电缆连接至PC USB端口,初始化代码执行完毕后,在设置CONNECT位的语句前停止运行。该语句如下:
wreg(rUSBCTL,bmCONNECT);	// Connect to USB
在执行该语句之前,D+和D-应均为低电平。这是因为电缆的主机侧电路通过15kΩ电阻将这些信号下拉至地。现在,单步执行CONNECT语句后,MAX3420E在D+和VCC (3.3V)之间接入一个1.5kΩ内部电阻。此时,D+应变为高电平,其后会出现一些突发脉冲(图4)。

图4. 设置CONNECT = 1时,D+变为高电平,并出现一些突发脉冲。
图4. 设置CONNECT = 1时,D+变为高电平,并出现一些突发脉冲。

上面的波形是D+,下面的是D-。该突发波形持续约18s,然后消失。D+保持高电平,D-保持低电平,然后弹出下面的Windows XP消息框(图5):

图5. Windows XP提示消息
图5. Windows XP提示消息

怎么回事?
请注意,程序为单步执行。到目前为止所作的只是连接了D+上拉电阻。该上拉提示PC有新的USB设备刚刚插入,因此PC开始向该设备发送信号,确定设备类型。这就是图4中的脉冲信号。由于微控制器代码停止运行,因此不会命令MAX3420E做出任何响应。PC由于没有收到响应信号,最终决定(18秒后)忽略该设备。D+为高电平和D-为低电平的总线状态称为“USB总线挂起”或者“挂起”。主机停止发送任何信号,MAX3420E的D+上拉电阻保持D+信号为高电平。

图6. 总线工作情况说明(没有画出NAK)
图6. 总线工作情况说明(没有画出NAK)

图6所示为利用LeCroy Instruments (LeCroy兼并了CATC,CATC是该分析仪的最初生产商)的USB总线分析仪测得的总线过程。当PC探测到设备插入后(CONNECT = 1),它发出一个USB总线复位信号(没有画出)。然后,在Transfer 0,它发出一个“GET_DESCRIPTOR”请求以获取“DEVICE”类型。5.687s之后,PC发出第二个USB总线复位信号,再尝试5.578s,要求得到设备描述符。PC第三次复位总线,再尝试5.580s,然后挂起总线并放弃尝试。由于没有运行固件,设备不会听取或应答(ACK) PC的请求。

图7. 图6中第一次传输过程展开后的数据包和NAK握手信号
图7. 图6中第一次传输过程展开后的数据包和NAK握手信号

为清晰起见,图6没有画出MAX3420E回送的NAK (非应答)握手信号。图7将第一次传输过程展开,详细地显示数据包。现在可以看到Transfer 0以下面三个封包开始:
  1. 主机向刚刚连上的设备 在这种情况下,USB发送地址0)发送一个SETUP包(63)。
  2. 主机发送一个DATA包(64),包含一个8字节“操作码”。
  3. 外设(MAX3420E)回送一个ACK包(65),确认无差错地收到两个主机封包。
如果打开含有MAX3420E的系统,插入USB,设置CONNECT = 1 (但是不再进行其他操作),MAX3420E将发出ACK握手包(上面第3步的65字节包)。MAX3420E硬件自动应答CONTROL传输的SETUP阶段,这是由USB规范规定的。

接下来,主机开始发送IN请求,并从Transaction 1开始。对应每个IN请求,MAX3420E回送NAK (非应答)握手信号。这是因为还没有运行程序,因此,与MAX3420E连接的微控制器不会收到SUDAV IRQ (Setup数据就绪中断请求)。


注意:MAX3420E通过置位SUDAV IRQ,提示微控制器收到了SETUP包。该信息通知微控制器需要对数据包解码,并回送要求的数据作为响应。


这些IN-NAK过程持续5.687s,此时PC会复位总线,开始第二次尝试。图4中的脉冲信号即是IN-NAK过程。如果仔细观察示波器,5s后波形将略有变化—这对应总线复位(D+和D-同时置低约30ms),其后是另一个SETUP包。然后,IN-NAK再持续5s。

供参考:另一个分析仪

图8. Beagle分析仪
图8. Beagle分析仪

产生图6和图7波形的USB总线分析仪可能超出了您的预算。尽管本应用笔记假设您只有一个示波器和欧姆表,我们还是强烈建议在USB开发过程中使用USB总线分析仪。我们使用的LeCroy/CATC具有多种优点,包括友好的界面和丰富的软件,最重要的是它享有工业标准USB测量工具的美誉。通过比对CATC波形来确定实际情况,解决了许多争论不休的问题(硬件、软件和芯片等)。总线总是如实反映情况。

幸亏现在有低成本USB分析仪。图8所示为Beagle-USB的屏幕截图。Beagle分析仪能够以比LeCroy/CATC低很多的价格显示总线的工作情况。如果对比图8中的Index 10和图6中的64字节数据包,会发现它们显示了完全相同的SETUP数据包。

检查进程

如果观察到了图4中的信号,已经可以确定USB连接器的连线是正确的,而且MAX3420E供电正常。如果还没有观察到该显示,可以尝试以下措施:
  • 测量MAX3420E的RES#引脚,确定其为高电平。
  • 测量晶振,确保其振荡频率为12MHz。必须是12MHz ±0.25%才能满足USB规范。如果超出容限,检查所连接的负载电容是否与并联谐振晶体所规定的电容一致(通常采用18pF)。
  • 检查VCC是否为3.3V。
  • 检查系统接口电压VL。确保不超过3.6V。
  • 如果由VBUS通过一个3.3V稳压器对MAX3420E的VCC引脚供电,确定连接了USB。否则,MAX3420E的VCC无法供电。

注意:由于固件运行与否和USB电缆连接无关,因此,与总线供电的设计相比,调试自供电设计要简单一些。可以先采用外部电源对样机供电。如果需要,以后可以再转为总线供电。


下一步检查您的控制器是否能够成功地通过SPI总线与MAX3420E寄存器组进行通信。

检查rreg()和wreg()。

编写任何程序,无论是采用Maxim的实例代码还是自己从头开始编写代码,都需要使用读写MAX3420E寄存器的函数。下面的例子使用了这些函数原型:
unsigned char rreg(BYTE r);   // Read a MAX3420E register byte
void wreg(BYTE r,BYTE v);     // Write a MAX3420E register byte
在调试处理USB传输的代码前,先编写一个简单的子程序来测试这些函数。参见图9的例子:

图9. 单步执行,检查“rd” 8次,验证SPI接口与MAX3420E的通信情况。
图9. 单步执行,检查“rd” 8次,验证SPI接口与MAX3420E的通信情况。

图9中的测试代码先复位MAX3420E,然后向USBIEN寄存器写入每字节移动1位的8个字节。每个字节中有一位置位,从00000001开始,然后是00000010,最终以10000000结束。单步执行该函数,检查“rd”值8次,确定其值为0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40和0x80。如果是这样,则可以确定SPI接口寄存器的写和读操作均正常。如果能够写入USBIEN寄存器,并可靠的读回其内容,那么就可以读写所有的MAX3420E寄存器。

图10. 采用MAXQ2000微控制器的Rowley CrossStudio开发工具,单步执行,检查变量值。将光标指向“rd”,其数值会弹出。
图10. 采用MAXQ2000微控制器的Rowley CrossStudio开发工具,单步执行,检查变量值。将光标指向“rd”,其数值会弹出。

图10所示为采用CrossStudio调试MAXQ2000微控制器的屏幕截图。将光标指向“rd”变量时,将激活弹出窗口(截图没有显示光标)。单步执行代码时,可采用这种方式来查看任何变量。

测试代码首先设置微处理器SPI端口。对应每种微处理器类型和特定IO引脚分配,SPI_Init()函数各不相同。然后,代码向PINCTL寄存器写入0x10,设置MAX3420E SPI接口为全双工工作模式。这将置位FDUPSPI位。代码置位CHIPRES位,然后对其清零,使MAX3420E处于已知的状态。建议在代码的开始部分包含芯片复位功能,从而在每一个调试周期的开始使MAX3420E处于已知的状态。

如果图10中的代码没有产生正确的结果,应检查SPI信号,确定其工作是否正常。

图11. 执行第一次wreg()调用
图11. 执行第一次wreg()调用

测试程序test_SPI()中的第一次wreg()调用,向MAX3420E的寄存器17写入数值0x10。SPI总线的波形应与图11所示一致。


注意:图11所示的波形使用SPI模式(0,0),在SCLK的上升沿采样SPI数据,SCLK的空闲电平为低电平。SPI接口不同,显示的波形会有不同的脉冲持续时间,但是对应SCLK上升沿的数值应该相同。


每次访问SPI的第一个字节是命令字节,其字节格式如图12所示。注意图11中对应前一部分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,数值为17)。同样,第1位为高电平,表明是写操作。第二个字节的位模式是00010000。这是写入寄存器17的数据,即0x10 (只有第4位FDUPSPI寄存器位置位)。因此,该SPI访问将0x10写入寄存器17,置位FDUPSPI位。

图12. MAX3420E命令字节格式
图12. MAX3420E命令字节格式

得到这些波形的一种简单方法是设置示波器或者逻辑分析仪在SS#的下降沿触发,单步执行wreg()调用。

图13. 第一次写入USBIEN寄存器(test_SPI函数)
图13. 第一次写入USBIEN寄存器(test_SPI函数)

test_SPI()中的下一条语句是rreg()函数。第一次进入循环体时,将数值0x01写入USBIEN寄存器,如图13所示。

图14. 第一次调用rreg()函数
图14. 第一次调用rreg()函数

然后,test_SPI()函数读回USBIEN寄存器的数值,第一次通过循环体时,应等于1 (图14)。每次通过循环体时,写入和读回的位应向左移动一个SCLK边沿。

MAX3420E寄存器写和读操作验证完毕后,可以进一步调试程序。到目前为止所有的检查步骤均属于“完整性检查”。现在,我们开始实际处理USB通信功能的第一步:需要处理器响应不同的MAX3420E中断请求位。

IRQ位设置

似乎应该USB总线通信开始后MAX3420E才会置位中断请求位。实际上,当MAX3420E上电时,就会有IRQ位置位,当插入USB电缆和设置CONNECT = 1时,又有其他IRQ位置位。下面介绍该启动过程的中断请求情况。

完成复位

当MAX3420E完成复位后,即使还没有插入USB,某些中断请求位就会置位。这些位是:

EPIRQ寄存器:
  • IN3BAVIRQ
  • IN2BAVIRQ
  • IN0BAVIRQ
EPIRQ寄存器的初始值应为0x19。MAX3420E置位这三个IRQ位,指示三个IN端点FIFO已经准备就绪,可以装入数据。BAV表示“Buffer Available”。

USBIRQ寄存器:
  • OSCOKIRQ
USBIRQ寄存器的初始值应为0x01。上电时,MAX3420E启动其片内振荡器。振荡器稳定后,MAX3420E置位OSCOKIRQ位,指示已经准备就绪,可以进行工作。如果程序没有通过OSCOKIRQ位检查,请确定VCC引脚电压为3.3V。VCC为振荡器供电。


注意:MAX3420E IRQ寄存器位不论其对应的使能位(在EPIEN和USBIEN寄存器中)是否置位,均可有效置位。使能位决定是否将请求位传送到驱动INT引脚的逻辑电路。参见应用笔记3661,MAX3420E中断系统,了解更详细的信息。


USB插入后

插入USB (CONNECT = 0)后,即使USB没有通信,仍有一些USBIRQ位会置位。EPIRQ位与上面的情况一致,但是更多的USBIRQ位将置位:

USBIRQ寄存器:
  • OSCOKIRQ
  • VBUSIRQ (可能)
VBUSIRQ位指示MAX3420E通过检测VBCOMP引脚上的5V信号,探测到插入了USB电缆。这假定您已经将USB连接器的VBUS引脚连接至MAX3420E微控制器(VBUS比较器)的输入引脚。


注意:USB连接器的VBUS引脚接MAX3420E的VBCOMP输入引脚是可选项。VBCOMP引脚不对MAX3420E内部供电。它只连接至内部VBUS比较器。


设置CONNECT = 1之后

连接USB使主机发出一个总线复位信号,产生Get_Descriptor-Device请求,最终挂起总线。这些操作会置位USBIRQ寄存器中的更多IRQ位。注意,USB总线复位将清除VBUSIRQ位。

EPIRQ寄存器:
  • IN3BAVIRQ
  • IN2BAVIRQ
  • IN0BAVIRQ
  • SUDAVIRQ (通信开始后)
USBIRQ寄存器:
  • OSCOKIRQ
  • URESIRQ
  • URESDNIRQ
  • SUSPIRQ (最后)
如果将VBUS接VBCOMP引脚,USBIRQ寄存器读数为0x8D,并持续约20s,然后由于主机挂起总线,读数变为0x9D。

接下来的情况会取决于您的代码。如果您观察到的情况和前面吻合,则表明系统一切正常,可以继续往下检查您的代码。

调试方法:通过3个步骤触发中断

剩下的检查是确保固件能够正确响应PC发出的不同USB请求命令,并由MAX3420E给出相应信号。如果启动程序,插入USB后,什么也没有发生(可能会出现Windows USB错误消息),那么可能是您的程序没有处理中断。下面的调试方法可以帮助解决这些中断问题。

第1步: 轮询IRQ位

首先,编写代码直接轮询IRQ位,当关心的IRQ位置位后,使处理器进行相应操作。即使主程序循环进行直接轮询,也最好使能中断(各IEN位 = 1和IE = 1)。这样可以通过观察MAX3420E INT引脚来了解其工作情况。这一步有效地取消了微控制器中断系统(和代码)检查,使您能够集中精力实现正确的USB功能。当连续读取EPIRQ和USBIRQ寄存器时,不必担心浪费的SPI周期—这一步的目的是使USB正常工作。

第2步: 轮询INT引脚状态

一旦USB工作正常后,进行第二步,修改程序来轮询MAX3420E INT引脚状态,检查悬挂的中断。如果第1步已经验证了程序,那么在程序主循环中有部分代码一直读取EPIRQ和USBIRQ寄存器,检查悬挂的中断。插入轮询微控制器中断引脚状态(连接在MAX3420E INT引脚上)的语句,修改第1步的连续检查。如果MAX3420E INT引脚未产生中断,可以跳过读取EPIRQ和USBIRQ寄存器的语句。这种简单的检查方式极大地减少了微控制器和MAX3420E之间的SPI数据流量,这是因为只有IRQ位置位时,才对其进行测试。

第3步: 检查微控制器中断程序

第3步也是最后一步,将MAX3420E整合到微处理器的中断系统中。这通常要写一个中断向量,以自动将程序执行位置指向MAX3420E处理程序。