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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(yè)界已經(jīng)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(shù)據(jù)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(fā)者可以很容易地實現(xiàn)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(xié)議棧和總線驅(qū)動的開發(fā)設計顯得尤為重要，因為它的好壞會直接對USB主機產(chǎn)生影響，從而會對嵌入式系統(tǒng)性能和穩(wěn)定產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)控制器可，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使設備軟件投資成本減少，是開發(fā)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(guī)范 (2)高性能USB接口器件集成了SIE FIFO存儲器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器 (3) 符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格 (4) 可與任何外部微控制器／微處理實現(xiàn)高速并行接口2M字節(jié)／秒 (5) 完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作 (6) 集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器 (7) 主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸 (8) 在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1M字節(jié)／秒的數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)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(yè)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(zhì) (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(xiàn)批量和同步傳輸 2 USB通信模塊的硬件電路的設計 本系統(tǒng)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(shù)據(jù)總線的存儲設備。PDIUSBD12獲取USB總線數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)作相應協(xié)議處理之后以中斷的方式通知AT89C52，MCU根據(jù)相應的中斷請求往PDIUSBD12發(fā)送不同請求數(shù)據(jù)，協(xié)同實現(xiàn)USB設備列舉和數(shù)據(jù)傳輸。當外設經(jīng)過PDIUSBD12連接到集線器后，集線器就會檢測外設的連接狀態(tài)并向主機報告，一但發(fā)現(xiàn)該設備，主機就會發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)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(lián)系緊密，包括USB設備的連接、USB協(xié)議、中斷處理等，它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結(jié)合，開發(fā)者需要對端口、中斷和硬件結(jié)構(gòu)非常熟悉。在本系統(tǒng)中，當PDIUSBD12從USB接受到一個數(shù)據(jù)包，就對CPU產(chǎn)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(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存值到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，隨后置柏應事件的標志位，CPU繼續(xù)前臺程序，檢測事件標志，執(zhí)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)設計中，固件程序不僅要協(xié)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?shù)捻憫ぷ鳎钡街鳈C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(guān)中斷，配制I／O端口等。 (3) 當主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，要接收數(shù)據(jù)包并解析數(shù)據(jù)包的含義，根據(jù)事先約定的協(xié)議進行相應的操作。對于采集模塊具體包括：寫入波形數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)時，根據(jù)設備狀態(tài)回傳數(shù)據(jù)，或者應答數(shù)據(jù)未準備好。回傳數(shù)據(jù)后，自動按照原先保存的設置初始化采集參數(shù)并啟動下一次采集，從而使采集繼續(xù)下去。 (5) 響應硬件產(chǎn)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(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數(shù)據(jù)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(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。 因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，直接調(diào)用函數(shù)即可。 固件程序流程圖如圖2所示。 其中： TD_Init()：此函數(shù)用于初始化全局狀態(tài)變量。 TD_Poll()：此函數(shù)在操作外設時反復調(diào)用，用于外設功能程序代碼的執(zhí)行。 TD Suspend()：此函數(shù)使外設進入低功耗掛起狀態(tài)。 TD_Resume()：次函數(shù)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(tài)。 3.2 驅(qū)動程序設計 驅(qū)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(xié)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(qū)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(qū)動程序像操作一般文件一樣來訪問硬件設備，以實現(xiàn)應用層與設備的交互。與傳統(tǒng)PC總線(如PCI總線)設備的驅(qū)動程序相比，USB設備驅(qū)動程序從不直接與硬件對話。相反，它僅靠創(chuàng)建URB(USB請求塊)并把URB提交到總線驅(qū)動程序就可完成硬件操作。 USB驅(qū)動程序現(xiàn)在已經(jīng)具有工業(yè)標準化，一般生產(chǎn)USB芯片的廠家已經(jīng)設計好其驅(qū)動程序，在本設計中，使用了由PHILIPS公司提供的PDIUSBD12通用驅(qū)動程序D12usb.sys，即功能驅(qū)動程序。 4 結(jié)束語 PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片及其開發(fā)環(huán)境提供了一個快速有效的開發(fā)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(qū)動程序和應用程序開發(fā)都作了全面詳細的介紹。給出了一個快速實現(xiàn)USB控制器的方法與技術(shù)，也是開發(fā)其他類似設備的參考范例。 |
