我碰到的USB设备连接问题

前一阵在学习ARM，到淘宝上买了一块很便宜的AT91SAM7S开发板。这块板子的设计是同ATMEL官方的AT91SAM7S-EK兼容的，因此在AT91SAM7S-EK上能跑的ATMEL例程都可以直接拿来用。由于AT91SAM7S系列的一大特色就是带有USB接口，因此我便迫不及待地想试验一下USB究竟有多么神奇。
在AT91SAM7S-EK Software Package找了个最简单的USB例程usb-device-core-project，用J-link下到板子里去，一运行，Windows竟然提示检测到无法识别的USB设备，没有出现令人期待的新硬件安装向导。多次拔插依然如故。在调试串口里看到了这些信息：
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2009-10-29 22:42



       初步分析
        因为用的是ATMEL官方例程，我暂时还不敢怀疑程序会出错。莫非是我的板子的问题？为了搞个究竟，我打算先研究一下源程序再说。
在main.c中查找，发现不断输出错误信息的函数是static void ISR_Vbus(const Pin *pPin)。这个函数是一个中断服务程序，内容也很简单，就是检测一下引脚pinVbus上的电压，如果是1，则调用USBD_Connect()，把引脚pinPullUp置为0；否则调用USBD_Disconnect()，把引脚pinPullUp置为1。这个中断服务函数是在函数static void VBus_Configure(void)中配置的。每当pinVbus引脚上的电压发生变化时，就会引起这个PIO中断。
//-------------------------------------------------------------------
/// Handles interrupts coming from PIO controllers.
//-------------------------------------------------------------------
static void ISR_Vbus(const Pin *pPin)
{
    // Check current level on VBus
    if(PIO_Get(&pinVbus)){

        TRACE_INFO("VBUS conn\n\r");
        USBD_Connect();//PIO_Clear(&pinPullUp);
    }
    else{

        TRACE_INFO("VBUS discon\n\r");
        USBD_Disconnect();//PIO_Set(&pinPullUp);
    }
}

上图调试串口输出的结果表明， ISR_Vbus这个中断一直在不断地被调用，而且pinVBUS引脚上的电压也在不断地高低变化。为了搞清楚问题的原因，我尝试在函数ISR_Vbus的入口处下断点。当板子插入USB接口时，程序被断了下来，继续单步运行，程序输出VBUS conn。继续全速运行，Windows竟然提示发现新硬件了，板子工作正常。但是如果删除断点全速运行，板子工作就又会不正常，真是一件奇怪的事情。

        初步解决
        仔细思考一下，单步运行程序和全速运行程序到底有什么区别呢？代码完全一样，但是，单步运行程序的时候在两句代码间会有延迟。由此推测程序中可能需要加入延时。联想到按键去抖动的原理，即检测到电平变化后需要等待一段时间再检测一次以排除干扰，我尝试在PIO_Get(&pinVbus)前加一小段延时，程序变成这样：
//-------------------------------------------------------------------
// Software wait loop -- suspends all tasks!
//-------------------------------------------------------------------
void delay (int wait_time )
{
    volatile unsigned int i ;
    for( i =0; i < wait_time *(BOARD_MCK/10000); i++)
    {;;;}
}

//-------------------------------------------------------------------
/// Handles interrupts coming from PIO controllers.
//-------------------------------------------------------------------
static void ISR_Vbus(const Pin *pPin)
{
    // Check current level on VBus
    delay(1); // Wait a moment
    if(PIO_Get(&pinVbus)){

        TRACE_INFO("VBUS conn\n\r");
        USBD_Connect();//PIO_Clear(&pinPullUp);
    }
    else{

        TRACE_INFO("VBUS discon\n\r");
        USBD_Disconnect();//PIO_Set(&pinPullUp);
    }
}


再次下载运行，一切正常。
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2009-10-29 22:42



         深入分析
         最后再来看一下板子上pinVbus（即PA13，图中VBUS_DET）和pinPullUp（即PA16，图中USB_DP_PUP）引脚究竟是怎样连接的，彻底搞清其中原理。原理图如下所示，很简单。当板子插到USB接口中后，VBUS处会有+5V的高电平，此时会触发pinVbus的PIO中断。系统检测到中断后，调用ISR_Vbus函数，将USB_DP_PUP置为低电平。此时N型MOS管Q1的Vgs>0，管子导通，进而导致Q2的栅极接低电平，使P型MOS管Q2的Vgs<0，Q2也导通。这样D+数据线就通过1.5K电阻接到VCC，建立了USB连接。若设备从USB总线中移除（VBUS=0）或者将USB_DP_UP置为高电平，都会使Q1、Q2截止，断开了1.5K上拉电阻。
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2009-10-29 22:42


从电路中可以看到，pinVbus是直接连接到VBUS的，若VBUS的电平发生变化，就会产生PIO中断。在刚刚插入USB接口的那一瞬间，VBUS电平不稳定，会不断触发中断（这和按键的抖动有些类似），由此引发USB_DP_PUP引脚上的电压也不断改变。后来VBUS虽然稳定了，但是USB_DP_PUP引脚上不断改变的电压已经通过某种耦合（这可能与PCB的设计相关）使VBUS_DET处的电压产生震荡，再次引发中断，在中断处理程序中又会改变USB_DP_PUP引脚上的电压，从而使电路产生了自激震荡，无**常工作。

       经验总结
也许在你用的板子上没有出现类似的问题，但是我的这次经历表明，在中断程序中不加延时直接检测VBUS上的电压是有风险的。你可能会遇到USB有时工作正常，有时工作不正常的现象，这时就需要看看是否有上面的问题。特别是我们一般都比较信赖官方的例程，往往会不加修改的直接借用，因此那个有风险的ISR_Vbus函数可能正在被许多系统使用着。
另外，如果在调试过程中单步运行程序工作正常，而全速运行则工作不正常，这很可能是说明程序的时序上出现了问题。尝试加入一些延时（特别在检测一些易产生电平抖动的器件的电压时），也许就能解决问题。这可以算得上是一个调试的技巧。这是我从这次经历中总结出的另一个经验。

如果在调试过程中单步运行程序工作正常，而全速运行则工作不正常，这很可能是说明程序的时序上出现了问题。尝试加入一些延时（特别在检测一些易产生电平抖动的器件的电压时），也许就能解决问题。这一点很实用啊