基于USB控制器设计的Windows音量控制器

基于USB控制器设计的Windows音量控制器

介绍一种使用MAX3420作为USB控制器、ATTIny 13作为微处理器设计的Windows音量控制器。该音量控制器利用硬件SPI接口，对Windows系统的音量进行控制。详细介绍设计系统过程中，选择设计方案，完善程序代码，最终实现USB接口控制的详细过程。

关键词 USB SPI HID Windows

　　本设计的首要目的就是，寻找一种快捷的方法来调整音量或者暂停播放，而不需要移动鼠标来寻找Windows Media Player窗口。该系统插在USB端口上，只有一个旋钮起主要作用。旋转这个按钮可以调节音量。按一次旋钮暂停播放，再按一次开始播放。由于该旋钮掌控主要的Windows音量控制，因此，它可以调节任何当前播放声音的音量，例如，电子邮件提示音或者是游戏声音。该音量控制器即使在Windows播放器不是当前 *** 作窗口的情况下也仍然对其有效。为了省去设计底层驱动程序的工作，把该器件设计成USB人机接口设备(HID)。把HID接入Windows系统，它就可以工作了。

1  低成本的USB系统

　　系统设计中最重要的一点是，选择一种低成本的微控制器和USB解决方案。ATTIny13型微控制器本身并不含有USB控制器，所以使用Maxim公司的 MAX3420E型USB控制器，而且仅需要一些用于普通的串行外围接口设备(SPI)的指令就可以与任何微处理器联合使用。与MAX3420E对话，会占用ATTIny13中5个I/O引脚中的4个。

　　这里简单介绍一下MAX3420。它是Maxim公司推出的一种全速USB（12 Mbps）外设控制器，支持USB2.0协议。MAX3420内建全速收发器，支持±15 kV的ESD保护，可以编程控制USB总线的连接和断开；内含的串行接口引擎可以控制底层的USB协议细节，如错误校验和总线重连接。MAX3420通过SPI接口 *** 作其内部寄存器，工作频率为26 MHz，任何支持SPI主模式的CPU只使用3～4根线便可增加USB功能。

　　图1是本系统的电路原理。U1是USB控制器MAX3420E。U2是MAX6349TL，它可提供3.3 V、150 mA的输出，具有上电复位(POR)电路，可直接与MAX3420E的RES引脚连接。在USB外设这样的热插拔设计中，良好的外部POR电路非常重要。与USB连接头上的 VBUS5 V信号相连接，并且将其调整至MAX3420E和ATTIny13所需的3.3 V。旋转编码器和发光二极管与MAX3420E的通用I/O引脚相连接。连接器J2用于ATtiny的调试和编码输入。电阻R1将编程/输入复位同系统复位隔开。上拉电阻R2确保当编程器或ICE使用调试连接器J2时，MAX3420E的SPI端口不被选中。

　　ATtiny13在管理MAX3420E的SPI端口时采用半双工模式，只使用一个双向数据引脚。电阻R3可避免在使用这种方式读取MAX3420E寄存器数据时的争用问题。在第8个SCLK信号上升沿到来时，MAX3420E的SPI开始对命令字节的第8位进行采样，并在第1个数据位到来后立即驱动数据引脚。

2  对话式SPI[1]

　　ATtiny13并不包含有SPI硬件单元。MAX3420E的SPI比较简单，且可以任意速率运行，可以对ATtiny13的I/O引脚进行位响应。

　　MAX3420E在三线、四线或五线SPI情况下都可以工作。另外还有几个不可省去的信号：串行时钟信号(SCLK)、从器件选择(SS)以及双向数据引脚的主控制器输出从机输入/主控制器输入从机输出 (MOSI/MISO)信号。本设计中用一条4位的引线把ATtiny13的一个输入引脚同MAX3420E的INT引脚连接起来，以便节约码字空间并使得SPI总线通信量最小。

图1  音量控制器的电路原理图

3  HID基础

　　USB HID规范的主要思想是要定义一个可以和应用程序联合应用的传感器、按钮和LED的广泛的类型范围。“USB器件使用者论坛”的“通用串行总线HID用法表”中详述了数百种用法。HID协议是双方面的协议，HID器件和Windows应用都必须同意使用HID规范中的特定码符。HID文件是概念性的但却有相当复杂的说明。

　　HID外部设备通过发送报告与Windows进行通信。HID设计的主要任务是要创造出一种可以传达对 *** 作系统控制意图的报告格式。对于此项设计，需要对以下几项进行控制：音量加、音量减、暂停、播放、下一曲目和上一曲目。这几项中的每一项在HID用法表中都有一个描述项。

　　下面的程序是HID报告描述符。它是用从网站www.usb.org.上得到的HID工具程序构建的。

　　.DB 0x05,0x0C
　　;使用页面（用户）.DB 0x09,0x01
　　;远程控制.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;检测下一次
　　.DB 0x09,0xB6;检测前一次
　　.DB 0x75,0x01;描述符报告大小
　　.DB 0x95,0x06;描述符报告数量
　　.DB 0x81,0x02;输入描述符报告
　　.DB 0x75,0x01;描述符报告大小
　　.DB 0x95,0x02;描述符报告数量
　　.DB 0x81,0x01.DB 0xC0

　　当主机发出“获取描述符报告”要求时，ATtiny13将该表返回给主机。报告描述符的格式是单字节报告，以使用(VOL+)行开头的描述符将二进制数据集合到一个以LSB开头的字节内。控制项只需要6位，所以该字节内的最后两位被赋予0值。描述符报告格式如下：

　　当Windows识别并进行USB枚举后，为了得到上述格式的单字节响应， *** 作系统开始向终端3IN发送周期性IN请求。该部件监控旋转控制的变化情况，并且当有动作(如音量增加)请求时发送通信数据；没有动作请求时，该固件返回0值。

　　MAX3420E简化了USB修改过程，SPI主控器(即ATtiny13)将报告数据字节写入EP3INFIFO(endpoint 3 IN FIFO)的寄存器。然后SPI主控器将数值1写入EP3INBC(endpoint3IN byte count)寄存器，表示为了响应USB的下一个IN请求，将会传送1个字节。传送发生后，MAX3420E产生中断请求，表明下一个字节的数据可以写入EP3INFIFO了。

　　下面是完整的传送程序。可以将音量控制器的HID信息传送给PC机。看似非常简单，但是该编码却包含了很多的HID控制页面。剩余的代码实现代码循环。该循环会检测旋转控制器，然后点亮发光二极管。对任意USB外围器件来说，USB样板文件代码需要进行内部处理。这个样板文件代码控制着器件的枚举、悬挂、恢复以及USB总线置零等命令。

　　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  读取旋转控制

　　旋转编码器用格雷编码端子A和B分别表示顺时针和逆时针旋转。旋转控制器与MAX3420E上有内置上拉电阻的GPIN引脚相连。图2显示的是左旋和右旋时的开关转接状态。锁定位置状态1和3是控制停止位置。控制器经过1个或3个状态后，可到下一个锁定位置。该固件只需对旋钮旋转进行译码，就可以实现向锁定状态1和3的转换。例如，实现右旋状态转换需要由3到1或由2到3。

图2  旋转编码器的开关连接状态

5  完善代码

　　ATtiny13有512字长的程序存储空间。编码需要完成以下几项工作： 首先要对设备进行枚举。这一步包括对MAX3420主控制器的各种类型的“获取描述符”请求进行解码，对对应的表数据进行定位以及对终端零值FIFO进行数据写入，以将其传送至固件。

　　编码时也应该为随时发生的USB总线置0以及USB总线的悬挂和恢复进行测试。必须对旋转控制位置和按钮开关状态进行周期性读取和译码。当主机接受了由EP3IN传来的用于发送HID控制数据的信息包后，该代码还必须为下一次的IN传送进行终端的数据加载，并为下一次的数据传输表明控制端点。

　　为了减小代码量，设计过程中采用下面的方法： 第一，省去了可选择性USB串描述符。这些描述符是描述诸如供应商、器件类型等的文本串。这些字符串只是信息性质的，对USB外围器件的 *** 作来说，没有任何价值。第二，没有使用可选择性USB遥控唤醒部分。这个部分实现起来并不困难（MAX3420E会承担这项工作的绝大部分），但是却会占用码字空间。第三，没有把HID报告的描述符写入程序闪存器，而是写入EEPROM。ATtiny13有64字节的EEPROM，可以写入该EEPROM的任意表数据，都会保存在程序闪存器中。

6  写入代码

　　如果只用图符方式进行此项设计，那么可以用6引脚的J2连接AVRISP2在线程序设计器来下载这些程序模块。如果想要研究或修改该代码，也可以把ATJTAGICE2ND（用于AVR系列的完全在线仿真器）连接到J2上。不管使用哪种下载方式，都不要忘记把HEX文件(闪存器代码)和EEP模块(EEPROM数据)都写进去。

7  总结[2]

　　现在的电子应用中，USB接口几乎已经取代了串行接口成为PC机上接口连接的首选。本设计表明：虽然USB比串行端口更为复杂，但是USB连接却并不需要更多的代码或者昂贵的微处理器。代码的绝大部分是USB样板文件，因此可以在多项设计中重复使用它。另外，USB有巨大的优势：从电缆中获取电源，自动的“握手”和错误检测以及可以进行热插拔。如果想要保留已有的MCU和工具，可以采用诸如MAX3420E那样的基于SPI的USB控制器来搭建USB外围电路。