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USB设备开发实例

作者:时间:2001-11-09来源:

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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/2816.htm

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/s9.6Mb/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$12之间,跟一个232485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。

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EZUSB(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PDIUSBD11I2C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WINRTUSBKernel 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12A/D212D/A52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PDIUSBD12CPU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(ADuC812RAM空间有1M,分页管理,每页64K,共256页,对应DPP寄存器值0255PDIUSBD12占第0页,即DPP0),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)PDIUSBD12GOOD-LINK指示灯(LED)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



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