嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)USB接口電路設(shè)計(jì)

　　在指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)由于功耗低、設(shè)備體積小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通用串行總線(xiàn)（USB）是由Inter、 Microsoft、IBM和NEC等共同制定的微機(jī)總線(xiàn)接口規(guī)范，具有較高的傳輸速率，支持即插即用，占用系統(tǒng)資源少，擴(kuò)展能力強(qiáng)。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，幾乎不可避免與PC機(jī)的通信，由于通信速度的要求以及計(jì)算機(jī)硬件高速發(fā)展，傳統(tǒng)的RS232接口已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，所以在嵌入式系統(tǒng)中USB接口的實(shí)現(xiàn)勢(shì)在必行。

　　系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制模塊的核心處理器為P89C52，由于其接口有限，同時(shí)完成系統(tǒng)控制和USB接口控制將十分困難。而從系統(tǒng)成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間周期和繼承性方面考慮，換用其他處理器也不太方便，所以必須考慮在此處理器的基礎(chǔ)上完成多項(xiàng)任務(wù)。由指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)看，系統(tǒng)在完成指紋錄入或登錄后才需要利用USB接口完成指紋模板和登錄信息的傳輸，所以對(duì)于處理器來(lái)說(shuō)，USB控制和系統(tǒng)控制可以采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行。由此，利用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片和一個(gè)8總線(xiàn)收發(fā)器來(lái)控制數(shù)據(jù)的選通及流向，以保證系統(tǒng)能夠正常工作。

　　系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)

　　USB接口硬件主要以接口芯片PDIUSBD12為中心，設(shè)計(jì)它與USB物理接口以及微控制器之間的連接。接口模塊通過(guò)跳線(xiàn)選擇供電方式，可同時(shí)支持USB總線(xiàn)供電方式和外設(shè)供電方式，為全速USB設(shè)備接口。設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到可靠性、可測(cè)性以及電磁兼容性。其接口電路如圖3所示。

　　接口電路供電通過(guò)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)K1選擇，當(dāng)K1接MVCC時(shí)，系統(tǒng)為自供電方式；當(dāng)K1接UVSB時(shí)，為總線(xiàn)供電方式。當(dāng)系統(tǒng)處于自供電方式情況下，系統(tǒng)通過(guò) EOT_N引腳來(lái)檢測(cè)VUSB是否存在，并接上一個(gè)1M,贅的放電電阻來(lái)減弱充電，以確保當(dāng)VUSB移開(kāi)時(shí)EOT_N變?yōu)榈?，并且此時(shí)自供電電源與USB 總線(xiàn)之間只能共地，同時(shí)設(shè)備不能通過(guò)USB口向VBNS輸出電流。

　　在單片機(jī)與PDIUSBD12的控制通信方面，單片機(jī)通過(guò)對(duì)PDIUSBD12的A0腳的狀態(tài)控制來(lái)指示并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)P0上傳輸內(nèi)容為命令還是數(shù)據(jù)。此時(shí)，PDIUSBD12上用于數(shù)據(jù)地址總線(xiàn)復(fù)用的ALE引腳一直接地。中斷引腳INT_N是系統(tǒng)的關(guān)鍵，幾乎所有USB的活動(dòng)在設(shè)備接口端都是由PDIUSBD12接收，然后通過(guò)中斷通知單片機(jī)完成。PDIUSBD12上的掛起SUSPEND為一個(gè)雙向引腳，由此保證USB設(shè)備既能被設(shè)備主控（單片機(jī)）也能被上位PC機(jī)喚醒，而PDIUSBD12工作時(shí)連續(xù)3次沒(méi)有檢測(cè)到SOP就將掛起腳置高。

　　PDIUSBD12片上GL_N引腳通過(guò)外接發(fā)光二極管來(lái)指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，在USB枚舉過(guò)程中，LED指示根據(jù)通信狀況間歇閃爍；當(dāng)PDIUSBD12成功枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮；隨后與PDIUSBD12之間成功地傳輸（帶應(yīng)答）將關(guān)閉LED；處于掛起狀態(tài)時(shí)LED將會(huì)關(guān)閉。

　　片上時(shí)鐘發(fā)生電路采用6MHz晶振，匹配一個(gè)22pF和一個(gè)68pF的無(wú)源電容。采用6MHz晶振也是為了降低產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生EMI（電磁干擾效應(yīng)） 的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橥獠烤€(xiàn)路的頻率越高，其EMI效應(yīng)也會(huì)越強(qiáng)，而在片外電路采用較低頻率并在芯片內(nèi)部進(jìn)行倍頻的措施將既不影響芯片的處理速度，又能提高在外部布線(xiàn)的安全性。使用兩個(gè)不同容值電容的目的是為了使晶體能夠快速起振，經(jīng)過(guò)測(cè)量，晶振的啟動(dòng)時(shí)間在2ms左右。

　　PDIUSBD12可采用5V和3.3V兩種工作電壓。由于主控單片機(jī)的IO電壓為5V，所以對(duì)PDIUSBD12也使用5V的工作電壓。此時(shí)在接入5V至PDIUSBD12 VCC腳的同時(shí)，要將PDIUSBD12上的VOUT腳空出，接去耦電容。另外，為了減小系統(tǒng)的EMI，在USB連接器輸入側(cè)的VBUS和地線(xiàn)上增加磁珠，如圖3的BLM21P，并且在USB的屏蔽罩與地之間使用容性耦合。

　　由于USB通信協(xié)議的復(fù)雜性，相當(dāng)一部分工作由硬件電路來(lái)完成，所以對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性要求非常嚴(yán)格，布線(xiàn)要合理要盡量減少分布電容和電磁干擾的影響，硬件電路的質(zhì)量將直接影響到數(shù)據(jù)能否正常傳輸。