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USB是一種新型的通用串行總線，它具有即插即用、可熱插拔和傳輸速率高的特點，在工業界已經獲得了廣泛的支持和應用。迄今為止，各種USB的外設已有上千種，除了象顯卡這種需要極高數據量和實時性要求特別高的控制設備，幾乎所有的PC外設都可以移植到USB上來。 一般的USB設備都使用一片微控制器作為其核心部件，通過微控制器強火的控制和運算功能，開發者可以很容易地實現USB設備的智能化。而嵌入式設備的實時、小巧等特性使得USB的協議棧和總線驅動的開發設計顯得尤為重要，因為它的好壞會直接對USB主機產生影響，從而會對嵌入式系統性能和穩定產生較大影響。本文以PDIUSBD12為USB接口芯片，以AT89C52為控制器，給出了一種USB接口的設計方法。 1 PDIUSBD12芯片介紹 PHILIPS公司生產PDIUSBD12接口芯片是一款性價比很高的USB器件，它通常通過其高速并行接口進行和微控制器通信，支持本地的DMA傳輸，支持3個USB端點，其中一個端點128B容量，另外2個端點具有256B容量。該器件允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的系統控制器可，允許使用現存的體系結構并使設備軟件投資成本減少，是開發低成本，高效率的USB外圍設備的最佳途徑。 PDIUSBD12特性： (1) 符合通用串行總線USB1.1版規范 (2)高性能USB接口器件集成了SIE FIFO存儲器收發器以及電壓調整器 (3) 符合大多數器件的分類規格 (4) 可與任何外部微控制器／微處理實現高速并行接口2M字節／秒 (5) 完全自治的直接內存存取DMA操作 (6) 集成320字節多結構FIFO存儲器 (7) 主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸 (8) 在批量模式和同步模式下均可實現1M字節／秒的數據傳輸速率 (9) 具有良好EMI特性的總線供電能力 (10) 在掛起時可控制LazyClock輸出 (11) 可通過軟件控制與USB的連接 (12) 采用GoodLink技術的連接指示器，在通信時使LED閃爍 (13) 可編程的時鐘頻率輸出 (14) 符合ACPI OnNOW和USB電源管理的要求 (15) 內部上電復位和低電壓復位電路 (16) 有SO28和TSSOP28兩種封裝 (17) 工業級操作溫度-40～+85℃ (18) 高于8kV的在片靜電防護電路減少了額外元件的費用 (19) 具有高錯誤恢復率(>99％)的全掃描設計確保了高品質 (20) 雙電源操作3.3V或擴展的5V電源，范圍為3.6～5.5V (21) 多中斷模式實現批量和同步傳輸 2 USB通信模塊的硬件電路的設計 本系統設計采用PDIUSBD12和AT89C52配合完成通信設計。其連線圖如圖1所示。 從上圖分析知道，AT89C52和PDIUSBD12采用總線方式連接，對AT89C52來說，PDIUSBD12是一個具有8位數據總線的存儲設備。PDIUSBD12獲取USB總線數據，并對數據作相應協議處理之后以中斷的方式通知AT89C52，MCU根據相應的中斷請求往PDIUSBD12發送不同請求數據，協同實現USB設備列舉和數據傳輸。當外設經過PDIUSBD12連接到集線器后，集線器就會檢測外設的連接狀態并向主機報告，一但發現該設備，主機就會發送一系列請求給集線器，以使得集線器在主機和設備之間建立一個通信通道。然后主機試圖列舉該設備，發送設備描述符等請求可，列舉成功后，主機即可以從外設能夠被主機識別并能和主機進行通信。之后，USB總線進入數據傳輸階段。 3 USB固件程序的設計 固件是FireWare的中文意思，它實際上足單片機的程序文件，可以采用C語言或是匯編語言編寫。它的操作方式與硬件聯系緊密，包括USB設備的連接、USB協議、中斷處理等，它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結合，開發者需要對端口、中斷和硬件結構非常熟悉。在本系統中，當PDIUSBD12從USB接受到一個數據包，就對CPU產生一個中斷請求，CPU立即響應中斷。在ISR(中斷服務程序)中，固件讀取數據，并將數據保存值到循環數據緩沖區，隨后置柏應事件的標志位，CPU繼續前臺程序，檢測事件標志，執行完成相應的事件任務。固件程序一般放入MCU中，當把設備連接到主機上時，上位機可以發現新設備，然后建立連接。因此，編寫固件程序的一個最主要的目的就是讓Windows可以檢測和識別設備。 3.1 固件功能需求 在本系統設計中，固件程序不僅要協助USB控制芯片PDIUSBD12完成USB通信的任務，而且還要控制采集模塊和標準信號源的工作，具體包括： (1) 應答主機列舉設備的所有請求，完成設備的列舉和重列舉過程。其中包括用軟件來模擬USB設備的斷開與從新連接，對接收到的設備包進行分析和判斷，對主機的設備請求作出適當的響應工作，直到主機對設備的配制完成。 (2) 初始化工作，這項工作有兩個方面，一是對采集模塊和信號源模塊的硬件進行初始化工作；二是對USB芯片進行初始化，設置一些特殊功能寄存器的初值，例如開或關中斷，配制I／O端口等。 (3) 當主機發送數據時，要接收數據包并解析數據包的含義，根據事先約定的協議進行相應的操作。對于采集模塊具體包括：寫入波形數據，選擇頻率，選擇幅度，選擇波形類型等。 (4) 當主機要求回傳采集到的數據時，根據設備狀態回傳數據，或者應答數據未準備好。回傳數據后，自動按照原先保存的設置初始化采集參數并啟動下一次采集，從而使采集繼續下去。 (5) 響應硬件產生的中斷，并作出相應的處理。 單片機與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機給PDIUSBD12發命令和數據來實現的。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數據流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數據手冊給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發命令，根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。 因此，可以將每種命令做成函數，用函數實現各個命令，直接調用函數即可。 固件程序流程圖如圖2所示。 其中： TD_Init()：此函數用于初始化全局狀態變量。 TD_Poll()：此函數在操作外設時反復調用，用于外設功能程序代碼的執行。 TD Suspend()：此函數使外設進入低功耗掛起狀態。 TD_Resume()：次函數用于對外部恢復事件作出反應，并恢復處理器的正常工作狀態。 3.2 驅動程序設計 驅動程序介于硬件與上層應用軟件之間，為它們之間的通信提供橋梁。應用程序可以不必知道它想要或者正在與之通信的硬件設備的屬性，包括電氣連接，物理地址，信號種類。通信協議等，甚至應用程序可以不知道與之通信的是何種接口。這些工作全部是由各個層次的驅動程序來完成的，應用程序只需要知道設備的名稱，或是功能就可以了。在Windows中，應用程序可以通過驅動程序像操作一般文件一樣來訪問硬件設備，以實現應用層與設備的交互。與傳統PC總線(如PCI總線)設備的驅動程序相比，USB設備驅動程序從不直接與硬件對話。相反，它僅靠創建URB(USB請求塊)并把URB提交到總線驅動程序就可完成硬件操作。 USB驅動程序現在已經具有工業標準化，一般生產USB芯片的廠家已經設計好其驅動程序，在本設計中，使用了由PHILIPS公司提供的PDIUSBD12通用驅動程序D12usb.sys，即功能驅動程序。 4 結束語 PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片及其開發環境提供了一個快速有效的開發手段，本文對USB設備端的固件和硬件設計過程以及在主機端的驅動程序和應用程序開發都作了全面詳細的介紹。給出了一個快速實現USB控制器的方法與技術，也是開發其他類似設備的參考范例。 |
