USB設(shè)備開發(fā)實例

通用串行總線(Universal Serial Bus USB），是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口比較，USB接口的最大特點是易于使用，這也是USB的主要設(shè)計目標(biāo)。作為一種高速總線接口，USB適用于多種設(shè)備，比如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。易于使用還表現(xiàn)在USB接口支持熱插拔，并且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預(yù)。

從表1可知，數(shù)據(jù)傳輸速率高是USB接口的另一特點。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高達(dá)480Mb/s(USB 2.0規(guī)范)的數(shù)據(jù)傳輸速率，扣除用于總線狀態(tài)、控制和錯誤監(jiān)測等的數(shù)據(jù)傳輸，USB的最大理論傳輸速率仍達(dá)1.2Mb/s或9.6Mb/s，遠(yuǎn)高于一般的串行總線接口。

USB接口芯片價格低廉，一個支持USB 1.1規(guī)范的USB接口芯片價格大多在＄1～2之間，跟一個232或485接口芯片價格差不多，這也大大促進(jìn)USB設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用。

在進(jìn)行一個USB設(shè)備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。目前，市場上供應(yīng)的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）或純粹的USB接口芯片。

帶USB接口的單片機(jī)從應(yīng)用上又可以分成兩類，一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機(jī)，比如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于價格、開發(fā)工具以及單片機(jī)性能有限等問題，所以一般不推薦選用。另一類是增加了USB接口的普通單片機(jī)，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增強(qiáng)的8051）、Cypress公司的EZ－USB(基于8051），選擇這類USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但對于簡單或低成本系統(tǒng)，價格高將會是最大的障礙。一般來說，后者的價格是前者價格的10倍。

純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個外部微處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12(并行接口），NS公司的USBN9603/9604(并行接口），NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計（硬件上僅需對并行總線和中斷進(jìn)行改動，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、PC機(jī)的USB接口通信程序，無需對原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作很大的改動）。

在選定USB控制器以后，如果是帶USB接口的單片機(jī)，則是一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)；反之，就是如何把USB接口芯片與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)融合的問題，一般USB接口芯片都支持多種并行總線結(jié)構(gòu)（復(fù)用/非復(fù)用），可以方便的與多種單片機(jī)接口。硬件設(shè)計中要注意的就是USB接口芯片的時鐘速度比較高，如果芯片內(nèi)部沒有PLL來倍頻，則外部晶體振蕩電路(多數(shù)在48MHz)的設(shè)計就應(yīng)該特別注意，包括晶體的選擇(負(fù)載電容大小）、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及PCB布線。

USB設(shè)備的軟件設(shè)計主要包括兩部分：一是USB設(shè)備端的單片機(jī)軟件，主要完成USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換（多數(shù)情況下是一個中斷子程序）以及其它應(yīng)用功能程序（比如A/D轉(zhuǎn)換、MP3解碼等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用戶服務(wù)程序兩部分組成，用戶服務(wù)程序通過USB通信程序與系統(tǒng)USBDI(USB Device Interface）通信，由系統(tǒng)完成USB協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸。PC端程序的開發(fā)難度比較大，程序員不僅要熟悉USB協(xié)議，還要熟悉Windows體系結(jié)構(gòu)并能熟練運用DDK工具。

USB接口軟件主要完成USB協(xié)議的處理和數(shù)據(jù)的交換，一定要嚴(yán)格遵循USB2.0規(guī)范第九章的規(guī)定(詳見 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 : Chapter 9.USB Device Framework www.usb.org）。

要快捷、成功的開發(fā)一個USB設(shè)備，正確、合理的調(diào)試方法是必不可少的環(huán)節(jié)。調(diào)試基本分三步進(jìn)行：首先對外部設(shè)備（單片機(jī)部分）借助PC調(diào)試軟件(芯片生產(chǎn)商提供或從網(wǎng)上下載WINRT－USB、Kernel Driver等調(diào)試軟件）將設(shè)備端的USB協(xié)議(主要有描述符請求、端口配置、地址設(shè)置以及基本數(shù)據(jù)交換）調(diào)通。然后，用調(diào)試好的USB設(shè)備接口來開發(fā)、調(diào)試PC軟件，這一步相對比較容易。最后，加上USB設(shè)備端的其它用戶程序，對整個完整的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

下面從硬件、軟件兩方面具體介紹作者設(shè)計的一個便攜式USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備，重點介紹USB接口部分。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以AD公司的帶8通道12位A/D、2路12位D/A的52內(nèi)核單片機(jī)ADuC812作為系統(tǒng)控制器，采用Philips公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。USB接口電路原理圖如圖1所示。由于系統(tǒng)中需要斷電后保存采集數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了兩片28F040，因此在這里把PDIUSBD12與CPU的接口采用了總線復(fù)用方式，通過ALE信號把數(shù)據(jù)分離出來，并把低64K RAM空間全留給PDIUSBD12(ADuC812的RAM空間有1M，分頁管理，每頁64K，共256頁，對應(yīng)DPP寄存器值0～255，PDIUSBD12占第0頁，即DPP＝0），地址線A(P2.0）作為PDIUSBD12的指令/數(shù)據(jù)選擇線，則地址000100H寫指令、000000H讀寫數(shù)據(jù)；單片機(jī)的P3.5口線提供PDIUSBD12的復(fù)位信號，接非門是保證單片機(jī)復(fù)位時PDIUSBD12也復(fù)位。PDIUSBD12與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式（INT0)，實際應(yīng)用中如果系統(tǒng)中斷資源不夠（特別是系統(tǒng)改型設(shè)計時)，也可以接成查詢方式，只是注意查詢間隔不要超過USB接口的最大等待時間(最大500mS)。PDIUSBD12的GOOD-LINK指示燈（LED)在USB通信時會閃爍，常亮或一直不亮說明USB接口有問題，調(diào)試時非常有用。PDIUSBD12采用PLL倍頻產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，只需外接低頻晶體，PCB設(shè)計比較方便。

單片機(jī)軟件設(shè)計主要注意以下幾點：

* PDIUSBD12的中斷輸出引腳只要中斷寄存器不為0就保持低電平，所以單片機(jī)的對應(yīng)中斷（INT0)應(yīng)設(shè)置成電平觸發(fā)；中斷處理后要用讀上次傳輸狀態(tài)寄存器清除中斷寄存器中對應(yīng)位(D0－D5）。

* PDIUSBD12靠軟件控制USB端口的連接，程序在系統(tǒng)初始化處理完后軟件設(shè)置連接到USB端口，然后開中斷。

* PDIUSBD12對內(nèi)部寄存器的讀寫沒有邊界限制，程序設(shè)計中一定不要讀寫超過端點深度的數(shù)據(jù)。特別對于描述符請求，由于其長度大于Control IN 深度（16 Bytes），要分幾個數(shù)據(jù)周期傳輸。

* 描述符一定要設(shè)置正確，并且注意USB協(xié)議中所有字?jǐn)?shù)據(jù)均定義為低字節(jié)在前傳輸（LSB），例如Phlips的ID為471H，應(yīng)在iDVendor中定義成71H、04H。

* 在接收到Setup包后，一定要用ACK Setup指令來重新使能Control IN 和Control OUT端點。向IN端點寫數(shù)據(jù)后，要用Validate Buffer指令使數(shù)據(jù)可以在下一個IN數(shù)據(jù)周期發(fā)送。從OUT端點讀數(shù)據(jù)后，要用Clear Buffer指令來清空緩沖區(qū)，否則后面OUT周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將被丟棄（返回NAK）。

*協(xié)議的處理一定要按USB規(guī)范要求進(jìn)行，對無效請求，用Set Endpoint Status指令將Control IN和Control OUT端點Stall即可。

PC機(jī)軟件作者用VC6.0開發(fā)，分USB接口通信程序和應(yīng)用程序兩部分，其開發(fā)以及系統(tǒng)調(diào)試過程與前文所述相同，此處不再贅　述?！?/font>