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USB是一種新型的通用串行總線(xiàn)，它具有即插即用、可熱插拔和傳輸速率高的特點(diǎn)，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據量和實(shí)時(shí)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(lái)。 一般的USB設備都使用一片微控制器作為其核心部件，通過(guò)微控制器強火的控制和運算功能，開(kāi)發(fā)者可以很容易地實(shí)現USB設備的智能化。而嵌入式設備的實(shí)時(shí)、小巧等特性使得USB的協(xié)議棧和總線(xiàn)驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)設計顯得尤為重要，因為它的好壞會(huì )直接對USB主機產(chǎn)生影響，從而會(huì )對嵌入式系統性能和穩定產(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?xún)r(jià)比很高的USB器件，它通常通過(guò)其高速并行接口進(jìn)行和微控制器通信，支持本地的DMA傳輸，支持3個(gè)USB端點(diǎn)，其中一個(gè)端點(diǎn)128B容量，另外2個(gè)端點(diǎn)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控制器可，允許使用現存的體系結構并使設備軟件投資成本減少，是開(kāi)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(xiàn)USB1.1版規范 (2)高性能USB接口器件集成了SIE FIFO存儲器收發(fā)器以及電壓調整器 (3) 符合大多數器件的分類(lèi)規格 (4) 可與任何外部微控制器／微處理實(shí)現高速并行接口2M字節／秒 (5) 完全自治的直接內存存取DMA操作 (6) 集成320字節多結構FIFO存儲器 (7) 主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實(shí)現實(shí)時(shí)數據傳輸 (8) 在批量模式和同步模式下均可實(shí)現1M字節／秒的數據傳輸速率 (9) 具有良好EMI特性的總線(xiàn)供電能力 (10) 在掛起時(shí)可控制LazyClock輸出 (11) 可通過(guò)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(shí)使LED閃爍 (13) 可編程的時(shí)鐘頻率輸出 (14) 符合ACPI OnNOW和USB電源管理的要求 (15) 內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(shí)現批量和同步傳輸 2 USB通信模塊的硬件電路的設計 本系統設計采用PDIUSBD12和AT89C52配合完成通信設計。其連線(xiàn)圖如圖1所示。 從上圖分析知道，AT89C52和PDIUSBD12采用總線(xiàn)方式連接，對AT89C52來(lái)說(shuō)，PDIUSBD12是一個(gè)具有8位數據總線(xiàn)的存儲設備。PDIUSBD12獲取USB總線(xiàn)數據，并對數據作相應協(xié)議處理之后以中斷的方式通知AT89C52，MCU根據相應的中斷請求往PDIUSBD12發(fā)送不同請求數據，協(xié)同實(shí)現USB設備列舉和數據傳輸。當外設經(jīng)過(guò)PDIUSBD12連接到集線(xiàn)器后，集線(xiàn)器就會(huì )檢測外設的連接狀態(tài)并向主機報告，一但發(fā)現該設備，主機就會(huì )發(fā)送一系列請求給集線(xiàn)器，以使得集線(xiàn)器在主機和設備之間建立一個(gè)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(jìn)行通信。之后，USB總線(xiàn)進(jìn)入數據傳輸階段。 3 USB固件程序的設計 固件是FireWare的中文意思，它實(shí)際上足單片機的程序文件，可以采用C語(yǔ)言或是匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。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合，開(kāi)發(fā)者需要對端口、中斷和硬件結構非常熟悉。在本系統中，當PDIUSBD12從USB接受到一個(gè)數據包，就對CPU產(chǎn)生一個(gè)中斷請求，CPU立即響應中斷。在ISR(中斷服務(wù)程序)中，固件讀取數據，并將數據保存值到循環(huán)數據緩沖區，隨后置柏應事件的標志位，CPU繼續前臺程序，檢測事件標志，執行完成相應的事件任務(wù)。固件程序一般放入MCU中，當把設備連接到主機上時(shí)，上位機可以發(fā)現新設備，然后建立連接。因此，編寫(xiě)固件程序的一個(gè)最主要的目的就是讓W(xué)indows可以檢測和識別設備。 3.1 固件功能需求 在本系統設計中，固件程序不僅要協(xié)助USB控制芯片PDIUSBD12完成USB通信的任務(wù)，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(guò)程。其中包括用軟件來(lái)模擬USB設備的斷開(kāi)與從新連接，對接收到的設備包進(jìn)行分析和判斷，對主機的設備請求作出適當的響應工作，直到主機對設備的配制完成。 (2) 初始化工作，這項工作有兩個(gè)方面，一是對采集模塊和信號源模塊的硬件進(jìn)行初始化工作；二是對USB芯片進(jìn)行初始化，設置一些特殊功能寄存器的初值，例如開(kāi)或關(guān)中斷，配制I／O端口等。 (3) 當主機發(fā)送數據時(shí)，要接收數據包并解析數據包的含義，根據事先約定的協(xié)議進(jìn)行相應的操作。對于采集模塊具體包括：寫(xiě)入波形數據，選擇頻率，選擇幅度，選擇波形類(lèi)型等。 (4) 當主機要求回傳采集到的數據時(shí)，根據設備狀態(tài)回傳數據，或者應答數據未準備好�；貍鲾祿�，自動(dòng)按照原先保存的設置初始化采集參數并啟動(dòng)下一次采集，從而使采集繼續下去。 (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)命令和數據來(lái)實(shí)現的。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數據流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數據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，根據不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數據。 因此，可以將每種命令做成函數，用函數實(shí)現各個(gè)命令，直接調用函數即可。 固件程序流程圖如圖2所示。 其中： TD_Init()：此函數用于初始化全局狀態(tài)變量。 TD_Poll()：此函數在操作外設時(shí)反復調用，用于外設功能程序代碼的執行。 TD Suspend()：此函數使外設進(jìn)入低功耗掛起狀態(tài)。 TD_Resume()：次函數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 驅動(dòng)程序設計 驅動(dòng)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(lèi)。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(gè)層次的驅動(dòng)程序來(lái)完成的，應用程序只需要知道設備的名稱(chēng)，或是功能就可以了。在Windows中，應用程序可以通過(guò)驅動(dòng)程序像操作一般文件一樣來(lái)訪(fǎng)問(wèn)硬件設備，以實(shí)現應用層與設備的交互。與傳統PC總線(xiàn)(如PCI總線(xiàn))設備的驅動(dòng)程序相比，USB設備驅動(dòng)程序從不直接與硬件對話(huà)。相反，它僅靠創(chuàng )建URB(USB請求塊)并把URB提交到總線(xiàn)驅動(dòng)程序就可完成硬件操作。 USB驅動(dòng)程序現在已經(jīng)具有工業(yè)標準化，一般生產(chǎn)USB芯片的廠(chǎng)家已經(jīng)設計好其驅動(dòng)程序，在本設計中，使用了由PHILIPS公司提供的PDIUSBD12通用驅動(dòng)程序D12usb.sys，即功能驅動(dòng)程序。 4 結束語(yǔ) PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片及其開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了一個(gè)快速有效的開(kāi)發(fā)手段，本文對USB設備端的固件和硬件設計過(guò)程以及在主機端的驅動(dòng)程序和應用程序開(kāi)發(fā)都作了全面詳細的介紹。給出了一個(gè)快速實(shí)現USB控制器的方法與技術(shù)，也是開(kāi)發(fā)其他類(lèi)似設備的參考范例。 |
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