USB设备开发实例

通用串行总线(Universal Serial Bus USB），是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB适用于多种设备，比如数码相机、MP3播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在USB接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。

从表1可知，数据传输速率高是USB接口的另一特点。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高达480Mb/s(USB 2.0规范)的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。

USB接口芯片价格低廉，一个支持USB 1.1规范的USB接口芯片价格大多在＄1～2之间，跟一个232或485接口芯片价格差不多，这也大大促进USB设备的开发与应用。

在进行一个USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。目前，市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。

带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，比如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，所以一般不推荐选用。另一类是增加了USB接口的普通单片机，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增强的8051）、Cypress公司的EZ－USB(基于8051），选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。一般来说，后者的价格是前者价格的10倍。

纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有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接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计（硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序、PC机的USB接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动）。

在选定USB控制器以后，如果是带USB接口的单片机，则是一般单片机应用系统的开发；反之，就是如何把USB接口芯片与单片机应用系统融合的问题，一般USB接口芯片都支持多种并行总线结构（复用/非复用），可以方便的与多种单片机接口。硬件设计中要注意的就是USB接口芯片的时钟速度比较高，如果芯片内部没有PLL来倍频，则外部晶体振荡电路(多数在48MHz)的设计就应该特别注意，包括晶体的选择(负载电容大小）、匹配网络的设计以及PCB布线。

USB设备的软件设计主要包括两部分：一是USB设备端的单片机软件，主要完成USB协议处理与数据交换（多数情况下是一个中断子程序）以及其它应用功能程序（比如A/D转换、MP3解码等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用户服务程序两部分组成，用户服务程序通过USB通信程序与系统USBDI(USB Device Interface）通信，由系统完成USB协议的处理与数据传输。PC端程序的开发难度比较大，程序员不仅要熟悉USB协议，还要熟悉Windows体系结构并能熟练运用DDK工具。

USB接口软件主要完成USB协议的处理和数据的交换，一定要严格遵循USB2.0规范第九章的规定(详见 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 : Chapter 9.USB Device Framework www.usb.org）。

要快捷、成功的开发一个USB设备，正确、合理的调试方法是必不可少的环节。调试基本分三步进行：首先对外部设备（单片机部分）借助PC调试软件(芯片生产商提供或从网上下载WINRT－USB、Kernel Driver等调试软件）将设备端的USB协议(主要有描述符请求、端口配置、地址设置以及基本数据交换）调通。然后，用调试好的USB设备接口来开发、调试PC软件，这一步相对比较容易。最后，加上USB设备端的其它用户程序，对整个完整的系统进行系统调试。

下面从硬件、软件两方面具体介绍作者设计的一个便携式USB数据采集设备，重点介绍USB接口部分。该数据采集系统以AD公司的带8通道12位A/D、2路12位D/A的52内核单片机ADuC812作为系统控制器，采用Philips公司的PDIUSBD12作为USB接口芯片。USB接口电路原理图如图1所示。由于系统中需要断电后保存采集数据，扩展了两片28F040，因此在这里把PDIUSBD12与CPU的接口采用了总线复用方式，通过ALE信号把数据分离出来，并把低64K RAM空间全留给PDIUSBD12(ADuC812的RAM空间有1M，分页管理，每页64K，共256页，对应DPP寄存器值0～255，PDIUSBD12占第0页，即DPP＝0），地址线A(P2.0）作为PDIUSBD12的指令/数据选择线，则地址000100H写指令、000000H读写数据；单片机的P3.5口线提供PDIUSBD12的复位信号，接非门是保证单片机复位时PDIUSBD12也复位。PDIUSBD12与单片机的数据交换采用中断方式（INT0)，实际应用中如果系统中断资源不够（特别是系统改型设计时)，也可以接成查询方式，只是注意查询间隔不要超过USB接口的最大等待时间(最大500mS)。PDIUSBD12的GOOD-LINK指示灯（LED)在USB通信时会闪烁，常亮或一直不亮说明USB接口有问题，调试时非常有用。PDIUSBD12采用PLL倍频产生系统时钟，只需外接低频晶体，PCB设计比较方便。

单片机软件设计主要注意以下几点：

* PDIUSBD12的中断输出引脚只要中断寄存器不为0就保持低电平，所以单片机的对应中断（INT0)应设置成电平触发；中断处理后要用读上次传输状态寄存器清除中断寄存器中对应位(D0－D5）。

* PDIUSBD12靠软件控制USB端口的连接，程序在系统初始化处理完后软件设置连接到USB端口，然后开中断。

* PDIUSBD12对内部寄存器的读写没有边界限制，程序设计中一定不要读写超过端点深度的数据。特别对于描述符请求，由于其长度大于Control IN 深度（16 Bytes），要分几个数据周期传输。

* 描述符一定要设置正确，并且注意USB协议中所有字数据均定义为低字节在前传输（LSB），例如Phlips的ID为471H，应在iDVendor中定义成71H、04H。

* 在接收到Setup包后，一定要用ACK Setup指令来重新使能Control IN 和Control OUT端点。向IN端点写数据后，要用Validate Buffer指令使数据可以在下一个IN数据周期发送。从OUT端点读数据后，要用Clear Buffer指令来清空缓冲区，否则后面OUT周期传输的数据将被丢弃（返回NAK）。

*协议的处理一定要按USB规范要求进行，对无效请求，用Set Endpoint Status指令将Control IN和Control OUT端点Stall即可。

PC机软件作者用VC6.0开发，分USB接口通信程序和应用程序两部分，其开发以及系统调试过程与前文所述相同，此处不再赘　述。■

参考文献

1 Jan Axelson.USB Complete.Lakeview Research,1999

2 Don Anderson.Universal Serial Bus System Architecture.Addison Wesley Longman,Inc,2000

3 ANALOG DEVICES.ADuC812 User's Manual，2000