基于USB接口的數據通信演示板的軟硬件實(shí)現方案

前言

在開(kāi)發(fā)USB設備時(shí)最難的就是固件和驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，要想成功的開(kāi)發(fā)這兩部分必須完全熟悉USB協(xié)議，而這至少需要五到六個(gè)月的時(shí)間。南京沁恒公司的CH371芯片是一塊屏蔽了USB協(xié)議的接口芯片，該芯片固化了設備驅動(dòng)程序和單片機程序中的協(xié)議處理部分，因此不需要去了解復雜的設備驅動(dòng)程序和USB協(xié)議，大大減少了開(kāi)發(fā)周期，也降低了開(kāi)發(fā)難度。本文介紹的演示板就是基于該公司的CH371和CH451芯片的一個(gè)簡(jiǎn)單USB外設，通過(guò)這塊演示板，不僅可以了解基于USB接口的基本結構，而且還可以熟悉基于這種接口的PC和單片機通信的單片機控制程序和計算機應用程序的編寫(xiě)。 


芯片介紹

USB接口芯片CH371 

CH371是一個(gè)USB 總線(xiàn)的通用接口芯片。在本地端，CH371 具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP、MCU 等控制器的系統總線(xiàn)上；在計算機系統中，CH371 的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機通訊就如同讀寫(xiě)硬盤(pán)中的文件。CH371 屏蔽了USB 通訊中的所有協(xié)議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接?；贑H371，不需要了解任何USB 協(xié)議或者固件程序，甚至驅動(dòng)程序，就可以輕松地將并口、串口的產(chǎn)品升級到USB 接口。

使用時(shí)，在本地端CH371具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，就像操作一般外設芯片一樣方便地掛接到DSP、MCU等控制器的系統總線(xiàn)上；在計算機端，CH371的配套軟件包括通用驅動(dòng)程序以及應用軟件包，提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口。 

根據不同的工作方式，芯片的接口類(lèi)型可以有以下幾種：被動(dòng)并行接口、I2C主接口、主控方式接口。按照芯片特點(diǎn)，CH371芯片通過(guò)被動(dòng)并行接口與本地端控制器連接，通過(guò)USB接口與計算機連接，如圖1所示。



圖1 單片機、CH371芯片以及PC連接示意圖 

鍵盤(pán)控制和數碼管驅動(dòng)芯片CH451

CH451 是一個(gè)多功能外圍芯片，通過(guò)可以級聯(lián)的4 線(xiàn)串行接口與單片機、DSP、微處理器等控制器交換數據。CH451 包含三個(gè)功能：數碼管顯示驅動(dòng)、鍵盤(pán)掃描控制、 P 監控，三個(gè)功能之間相互獨立，控制器可以通過(guò)操作命令分別啟用、關(guān)閉、設定CH451 的任何一個(gè)功能。CH451 的串行接口是由硬件實(shí)現的，控制器可以頻繁地通過(guò)串行接口進(jìn)行高速操作。CH451主要功能包括動(dòng)態(tài)掃描功能和鍵盤(pán)掃描功能。

在計算機應用層，通過(guò)應用程序來(lái)演示CH451的各種功能。應用程序把控制命令通過(guò)CH371傳送給單片機，單片機接收到命令后再來(lái)控制CH451。CH451通過(guò)四線(xiàn)串行接口與單片機連接，如圖2所示。



圖2 單片機、CH451芯片和鍵盤(pán)、數碼管的連接示意圖 

USB設備配置和數據傳輸過(guò)程描述

USB即插即用的自動(dòng)配置過(guò)程是由CH371 芯片和驅動(dòng)程序共同完成的。將帶有CH371芯片的USB產(chǎn)品插入到計算機的USB插槽中，當PC機檢測到USB 插入事件，操作系統有選擇地復位USB 產(chǎn)品，并讀取USB 產(chǎn)品的設備描述符，在CH371 芯片返回設備描述符后，操作系統根據設備描述符加載CH371 驅動(dòng)程序；CH371 驅動(dòng)程序讀取CH371 芯片的設備描述符和配置描述符；在CH371 芯片返回設備描述符和配置描述符之后，CH371 驅動(dòng)程序根據配置描述符請求操作系統對CH371 芯片進(jìn)行配置。在完成配置后，PC機給CH371 芯片分配一個(gè)USB 設備地址，并指定一個(gè)USB 配置。以上是CH371 芯片的自動(dòng)配置過(guò)程，在完成自動(dòng)配置后，CH371 驅動(dòng)程序向應用層開(kāi)放操作接口。

數據傳輸過(guò)程是USB 產(chǎn)品的應用層軟件與USB 產(chǎn)品的控制器之間的數據進(jìn)行傳輸的過(guò)程。首先計算機應用層將數據請求發(fā)送給CH371 芯片，CH371 芯片以中斷方式通知本地端控制器，并使之進(jìn)入中斷程序，查看傳輸狀態(tài)信息寄存器中的數據傳輸方向標志位，如果是上傳，則將上傳數據長(cháng)度寄存器置為15，然后退出中斷程序；如果是下傳，則查看下傳數據長(cháng)度寄存器，從數據下傳緩沖區中讀取數據塊，并分析接收到的數據塊，將應答數據和應答數據的長(cháng)度分別寫(xiě)入數據上傳緩沖區和上傳數據長(cháng)度寄存器中，然后退出中斷程序。在退出中斷程序之后， CH371 芯片將應答數據返回給計算機，此時(shí)計算機應用層將會(huì )接收到應答數據。

演示板硬件電路設計

本演示板采用USB 總線(xiàn)接口芯片CH371、數碼管驅動(dòng)和鍵盤(pán)控制芯片CH451和通用的MCS51 系列單片機構成，用于演示CH371 的USB 數據通訊功能，CH451 的數碼管驅動(dòng)/鍵盤(pán)掃描功能，以及CH371 與單片機的連接，CH451 與單片機的連接。演示板通過(guò)USB 接口與PC 機進(jìn)行通訊，并由PC 機控制它的執行，演示板電路設計如圖所3示。


圖3中，元器件說(shuō)明如下：

晶振X1 為標準的12MHz，晶振的金屬外殼應該接地，以減少來(lái)自外界的干擾；振蕩電容C1、C2 的容量為20pF（可以在5pF 至30pF 之間選擇）；另外，建議在CH371 的XI引腳（第14 腳）前串接一個(gè)阻值為1K 的電阻（可以在200 至3K 之間選擇），即X1與C2 相連接后通過(guò)1K 電阻連接到CH371 的XI 引腳。

阻抗匹配電阻R1、R2 為100 （可以在80 至150 之間選擇），如果CH371 的工作電壓略低于5V ，則R1、R2 的阻值可以適當減少。
U4（單片機89C51）用于測試CH371 的USB 數據通信功能，本例中CH371 工作于復用地址方式，U4 的ALE 與CH371 的ALE 相連接，CH371 的INT#與U4 的INT0 相連接，U4通過(guò)CH371 的被動(dòng)并行接口與CH371 進(jìn)行數據交換。

U3（EEPROM 器件24C02）作為I2C 接口的目標設備，用于測試CH371 的I2C 接口功能，PC 機的應用層程序可以直接對該器件進(jìn)行讀寫(xiě)測試。

L1（發(fā)光二極管LED）用于測試CH371 的主控方式的功能，即使CH371 不連接任何單片機（例如在本例中取出單片機U4），PC 機的應用層程序仍然可以直接控制CH371 的A3引腳輸出低電平或者高電平，從而點(diǎn)亮LED 或者熄滅LED。



圖3 CH371和CH451演示板硬件電路圖 

跳線(xiàn)J1 用于測試CH371的片選線(xiàn)CS#的兩種用法，在本例中單片機沒(méi)有其它外圍器件，所以CS#引腳可以懸空，作為默認選擇，如果單片機還有其它并行接口的外圍器件，則CS#應該作為片選控制線(xiàn)，例如由單片機的地址線(xiàn)A15 驅動(dòng)，從而將CH371 定位于單片機U4 的0000H-7FFFH 地址空間。

跳線(xiàn)J3 用于測試CH371 的USB 帶電下線(xiàn)功能，當單片機U4 的P1.4 引腳輸出高電平時(shí)，可以控制CH371 模擬從USB 總線(xiàn)上斷開(kāi)，當單片機U4 的P1.4 引腳輸出低電平時(shí)，可以控制CH371 模擬連接到USB 總線(xiàn)。
跳線(xiàn)J2 用于選擇單片機U4 上電復位信號的來(lái)源，CH371 和CH451 都具有上電復位和看門(mén)狗功能，由J2 可以分別測試兩個(gè)芯片的上電復位功能。電阻R4 用于調節CH451的上電復位門(mén)限，阻值為200K 時(shí)上電復位門(mén)限約為4V，測試時(shí)請注意防止干擾。

電阻R5 為數碼管的限流電阻，阻值可以在60 至500 之間選擇，阻值為200 時(shí)限定段電流為13mA 左右；電阻R6 為按鍵掃描的限流電阻，阻值可以在1K 至10K 之間選擇，本例中為2K ，如果不使用CH451 的按鍵掃描功能，則電阻R6 可以省去。

CH451的SEG0~SEG7引腳和DIG0~ DIG7引腳相互配合，可以最大擴展8個(gè)共陰數碼管和64個(gè)輕觸按鈕。這部分擴展電路比較容易，由于版面所限，以上電路圖省去了這部分。 程序的軟件設計一般USB設備的開(kāi)發(fā)，USB接口程序設計包括三部分：?jiǎn)纹瑱C程序開(kāi)發(fā)，USB設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，主機應用程序開(kāi)發(fā)。由于CH371接口芯片固化了設備驅動(dòng)程序和單片機程序中的協(xié)議處理部分，因此軟件設計僅僅包括兩部分，即單片機中的數據交換部分和主機的應用程序。


單片機控制程序

應用程序和單片機控制程序之間有這樣的協(xié)議約定：應用程序發(fā)送給單片機的數據中的第一個(gè)字節是命令，單片機接收到PC發(fā)送過(guò)來(lái)的數據后，先對第一個(gè)字節做出響應，根據命令的不同進(jìn)入不同的子程序。例如：定義DEMOTESTDATA EQU 90H，這表示90H這個(gè)十六進(jìn)制數據代表測試命令，當單片機接收到來(lái)自PC的數據的第一個(gè)字節是90H時(shí)，就會(huì )進(jìn)入將PC 發(fā)來(lái)的數據取反的子程序，并將取反后的數據返回。

在整個(gè)方案中單片機控制程序的作用主要有：(1)當評估板上的按鍵按下時(shí)，CH451通過(guò)中斷通知單片機，然后單片機從CH451的緩沖區中讀取鍵碼值，單片機再通過(guò)中斷通知PC機，PC進(jìn)入相應的中斷程序進(jìn)行處理；2)當PC發(fā)送命令時(shí)，CH371通過(guò)中斷通知單片機，單片機對該命令做出響應，或控制CH451，或返回應答數據，流程圖如圖4所示。



圖4 單片機控制程序流程圖 

PC端應用程序設計

為了檢驗硬件設計和單片機控制程序編寫(xiě)的可行性，需要在PC端用VB編寫(xiě)一個(gè)測試程序，用以測試硬件電路在數據通信方面是否暢通。程序用到了4個(gè)窗體，2個(gè)模塊。其中兩個(gè)模塊主要是定義一些全局變量、函數，以及API函數的聲明（因為這些函數只有在聲明以后才能調用），設計4個(gè)窗體是為了更好地完成演示板的各項功能。

（1）主界面設計

演示主界面如圖5所示。



圖5 主界面 

功能說(shuō)明：在電路板上有三個(gè)按鍵，對應這三個(gè)按鍵有三個(gè)不同的演示程序。根據該界面的提示，每按下一個(gè)按鍵就進(jìn)入相應的演示程序，而演示完一個(gè)程序后可以退回該界面進(jìn)行另外演示程序的選擇。 2）同步可調實(shí)時(shí)時(shí)鐘演示程序

界面設計如圖6所示。



圖6 與真實(shí)時(shí)間同步的可調時(shí)鐘演示界面 

功能說(shuō)明：進(jìn)入該演示程序后，PC會(huì )通過(guò)命令使數碼管上顯示當前時(shí)間，但時(shí)鐘不走動(dòng)。

“啟動(dòng)時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o時(shí)鐘開(kāi)始走動(dòng)。

“校準時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，文本框下的六個(gè)命令按鈕會(huì )被激活，它們分別對應六個(gè)數碼管。單擊修改時(shí)間對應的按鈕，會(huì )彈出對話(huà)框，要求輸入要修改的時(shí)間。 

“校時(shí)確定”：當時(shí)間校準好以后，單擊命令按鈕，這時(shí)會(huì )彈出對話(huà)框提示是否已經(jīng)校準時(shí)間，否則可以繼續修改。若確定以后，時(shí)鐘又可以正常走動(dòng)。 

“返回主窗體”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o回到窗體一，以便繼續進(jìn)行其他程序的演示。 

（3）CH451各項功能演示程序 
界面設計如圖7所示。



圖7 鍵盤(pán)控制和數碼管驅動(dòng)芯片CH451各項功能演示界面 

功能說(shuō)明:當進(jìn)入該演示程序后，會(huì )自動(dòng)在數碼管上加在字數據“HELPHELP”。

“右（左）移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o，數碼管上的字會(huì )向右（左）移動(dòng)，左（右）邊移出的空位會(huì )加0。

“右（左）循環(huán)移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o會(huì )使數碼管的數據分別向右(左)循環(huán)移位。

“加載字數據”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì )彈出對話(huà)框提示“要加載字數據請單擊相應的文本框”。此時(shí)文本框會(huì )被激活，當單擊文本框后，會(huì )再次彈出對話(huà)框，要求輸入要加載的字數據。輸入完并確定后，數碼管上就會(huì )顯示加載的字數據了。 “閃爍”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì )彈出對話(huà)框提示“要是數碼管閃爍請單擊對應的單選按鈕”，同時(shí)8個(gè)單選按鈕會(huì )被激活。每個(gè)單選按鈕對應一個(gè)數碼管，選中相應的單選按鈕后，對應的數碼管就會(huì )閃爍。當再選中另外的單選按鈕后，前一個(gè)就會(huì )停止閃爍。

“亮度控制按鈕”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，彈出對話(huà)框提示“請單擊相應的單選按鈕進(jìn)行亮度的選擇”，同時(shí)，十六個(gè)單選按鈕會(huì )被激活，它們對應控制數碼管的十六級亮度顯示，當選中第一個(gè)按鈕時(shí)，數碼管會(huì )變的最暗，當依次選中其他的按鈕時(shí)，亮度會(huì )依次遞增。

“DEFAULT”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì )回到默認狀態(tài)。即：字數據顯示為“HELPHELP”；閃爍的數碼管會(huì )停止閃爍；數碼管的亮度會(huì )變?yōu)?6級亮度。

“熄滅數碼管”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，數碼管會(huì )熄滅。

“退出”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì )返回主窗體。


批量數據傳輸演示程序

界面設計如圖8所示。



圖8 PC和AT89C51之間通過(guò)USB接口芯片CH371的數據塊傳輸界面 

功能說(shuō)明：

“發(fā)送數據”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì )彈出對話(huà)框，首先要求輸入要發(fā)送的數據的個(gè)數，然后會(huì )彈出對話(huà)框要求輸入要發(fā)送的數據。同時(shí)發(fā)送的數據會(huì )在文本框中顯示，以便和接收到的數據進(jìn)行比較，看單片機是否做出了正確的應答。

“接收數據”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，PC會(huì )首先發(fā)送一個(gè)命令給單片機，要求單片機對剛才發(fā)送的命令做出響應。單片機接收到此命令后會(huì )對接收到的數據按位取反，然后返回給計算機。當計算機接收到返回的數據后會(huì )在文本框中顯示出來(lái)。

“退出”：?jiǎn)螕粼摪粹o后會(huì )返回主窗體。


程序調試的體會(huì )

該演示程序最關(guān)鍵的就是要使得PC和單片機之間能夠通過(guò)CH371接口芯片進(jìn)行通信，這必須用到該公司提供的API函數。調試時(shí)需要事先理解這些函數的作用以及各個(gè)參數的具體意義。PC的命令和數據能夠很容易就傳給單片機，但單片機得到的按鍵值卻無(wú)法傳到PC機。后來(lái)筆者在查閱了一本關(guān)于在Visual Basic中調用API函數的書(shū)后終于找到了問(wèn)題的原因所在，通過(guò)修改一下API函數的中的參數，終于使得PC和單片機之間能夠進(jìn)行雙向的通信，這一步成功后其余的調試就比較容易進(jìn)行了。

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