嵌入式指紋自動(dòng)識別系統USB接口的設計與實(shí)現

系統新用戶(hù)注冊時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入注冊ID，然后系統由DSP控制指紋傳感器采集用戶(hù)指紋數據。如果采集到有效指紋，經(jīng)過(guò)DSP進(jìn)行指紋處理得到指紋模板數據。系統將該指紋模板存入系統數據庫中。如果需要，也可以通過(guò)USB接口將用戶(hù)信息和對應模板都上傳至PC機中備份。當嵌入式系統數據丟失時(shí)，可以通過(guò)USB接口將PC機里所存備份下載至系統中。下面著(zhù)重介紹系統的控制模塊和USB接口的設計。
2 系統控制模塊設計
系統控制模塊的核心處理器為P89C52，由于其接口有限，同時(shí)完成系統控制和USB接口控制將十分困難。而從系統成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間周期和繼承性方面考慮，換用其他處理器也不太方便，所以必須考慮在此處理器的基礎上完成多項任務(wù)。由指紋自動(dòng)識別系統的特點(diǎn)來(lái)看，系統在完成指紋錄入或登錄后才需要利用USB接口完成指紋模板和登錄信息的傳輸，所以對于處理器來(lái)說(shuō)，USB控制和系統控制可以采用時(shí)分復用的方式進(jìn)行。由此，利用一個(gè)電平轉換芯片和一個(gè)8總線(xiàn)收發(fā)器來(lái)控制數據的選通及流向，以保證系統能夠正常工作。具體實(shí)現如圖2。

SN74ALVC164245為5V～3.3V電平轉換芯片，負責控制單片機與DSP之間的數據流向以及電平轉換。因為單片機的IO電平為5V，而DSP的IO電平為3.3V，所以必須進(jìn)行電平轉換。另外，SN74ALVC164245的OE和DIR腳聯(lián)合控制數據的流向，當OE為高時(shí)，芯片兩邊的數據互相獨立；當OE為低時(shí)，通過(guò)DIR的狀態(tài)來(lái)控制數據的流向。74HC245為總線(xiàn)傳輸器，用來(lái)控制單片機同LCD控制芯片KS0108的數據通信，其工作原理與SN74ALVC164245類(lèi)似，只是沒(méi)有電平轉換功能。同樣，USB服務(wù)芯片通過(guò)SUSPEND管腳來(lái)使能數據線(xiàn)，將SUSPEND腳置高電平時(shí)，整個(gè)PDIUSBD12處于休眠狀態(tài)。由此，單片機就可以通過(guò)控制引腳的狀態(tài)來(lái)控制數據總線(xiàn)，以實(shí)現單片機數據總線(xiàn)的時(shí)分復用。
3 系統USB接口設計
3.1 USB接口硬件設計
USB接口硬件主要以接口芯片PDIUSBD12為中心，設計它與USB物理接口以及微控制器之間的連接。接口模塊通過(guò)跳線(xiàn)選擇供電方式，可同時(shí)支持USB總線(xiàn)供電方式和外設供電方式，為全速USB設備接口。設計過(guò)程中充分考慮到可靠性、可測性以及電磁兼容性。其接口電路如圖3所示。

接口電路供電通過(guò)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)K1選擇，當K1接MVCC時(shí)，系統為自供電方式；當K1接UVSB時(shí)，為總線(xiàn)供電方式。當系統處于自供電方式情況下，系統通過(guò)EOT_N引腳來(lái)檢測VUSB是否存在，并接上一個(gè)1M?贅的放電電阻來(lái)減弱充電，以確保當VUSB移開(kāi)時(shí)EOT_N變?yōu)榈?，并且此時(shí)自供電電源與USB總線(xiàn)之間只能共地，同時(shí)設備不能通過(guò)USB口向VBNS輸出電流。
在單片機與PDIUSBD12的控制通信方面，單片機通過(guò)對PDIUSBD12的A0腳的狀態(tài)控制來(lái)指示并行數據總線(xiàn)P0上傳輸內容為命令還是數據。此時(shí)，PDIUSBD12上用于數據地址總線(xiàn)復用的ALE引腳一直接地。中斷引腳INT_N是系統的關(guān)鍵，幾乎所有USB的活動(dòng)在設備接口端都是由PDIUSBD12接收，然后通過(guò)中斷通知單片機完成。PDIUSBD12上的掛起SUSPEND為一個(gè)雙向引腳，由此保證USB設備既能被設備主控（單片機）也能被上位PC機喚醒，而PDIUSBD12工作時(shí)連續3次沒(méi)有檢測到SOP就將掛起腳置高。
PDIUSBD12片上GL_N引腳通過(guò)外接發(fā)光二極管來(lái)指示系統工作狀態(tài)，在USB枚舉過(guò)程中，LED指示根據通信狀況間歇閃爍；當PDIUSBD12成功枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮；隨后與PDIUSBD12之間成功地傳輸（帶應答）將關(guān)閉LED；處于掛起狀態(tài)時(shí)LED將會(huì )關(guān)閉。
片上時(shí)鐘發(fā)生電路采用6MHz晶振，匹配一個(gè)22pF和一個(gè)68pF的無(wú)源電容。采用6MHz晶振也是為了降低產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生EMI(電磁干擾效應)的風(fēng)險，因為外部線(xiàn)路的頻率越高，其EMI效應也會(huì )越強，而在片外電路采用較低頻率并在芯片內部進(jìn)行倍頻的措施將既不影響芯片的處理速度，又能提高在外部布線(xiàn)的安全性。使用兩個(gè)不同容值電容的目的是為了使晶體能夠快速起振，經(jīng)過(guò)測量，晶振的啟動(dòng)時(shí)間在2ms左右。
PDIUSBD12可采用5V和3.3V兩種工作電壓。由于主控單片機的IO電壓為5V，所以對PDIUSBD12也使用5V的工作電壓。此時(shí)在接入5V至PDIUSBD12 V_CC腳的同時(shí)，要將PDIUSBD12上的V_OUT腳空出，接去耦電容。另外，為了減小系統的EMI，在USB連接器輸入側的VBUS和地線(xiàn)上增加磁珠，如圖3的BLM21P，并且在USB的屏蔽罩與地之間使用容性耦合。
由于USB通信協(xié)議的復雜性，相當一部分工作由硬件電路來(lái)完成，所以對硬件電路設計的準確性要求非常嚴格，布線(xiàn)要合理要盡量減少分布電容和電磁干擾的影響，硬件電路的質(zhì)量將直接影響到數據能否正常傳輸。
3.2 USB設備固件程序的開(kāi)發(fā)
固件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。USB設備請求包括標準設備請求和廠(chǎng)商請求。標準設備請求用來(lái)完成USB設備枚舉的命令，而廠(chǎng)商請求則是根據具體USB設備來(lái)完成特殊任務(wù)的命令。對于本文采用的USB服務(wù)芯片PDIUSBD12，其片內的SIE(串行接口引擎)實(shí)現了全部的USB協(xié)議層，且完全由硬件實(shí)現而不需要固件的參與，所以對于USB固件程序來(lái)說(shuō)，USB協(xié)議的具體實(shí)現就可以根據PDIUSBD12所提供的命令字來(lái)完成。最后剩下的就是硬件層上讀寫(xiě)數據的程序實(shí)現。其總體結構如圖4。

其工作流程大致為：主循環(huán)完成一些初始化工作，轉入等待中斷的循環(huán)中；當USB總線(xiàn)上有事務(wù)發(fā)生時(shí)，PDIUSBD12將會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生相應的中斷來(lái)通知固件程序；然后固件程序轉入相應的中斷服務(wù)程序處理中斷，主循環(huán)通過(guò)讀取中斷服務(wù)程序中設定的事件標志和循環(huán)數據緩沖區來(lái)決定轉入相應的請求響應；響應程序通過(guò)再下層的PDIUSBD12命令接口程序控制PDIUSBD12完成相應數據或命令操作。此積木式結構的固件程序組合完成了USB接口設備從初始化到數據傳輸的全部USB活動(dòng)。
本文根據USB1.1協(xié)議由其服務(wù)芯片PDIUSBD12和單片機P89C52完成了嵌入式指紋自動(dòng)識別系統的USB接口硬件和固件程序的研究和開(kāi)發(fā)，并結合上位PC機的驅動(dòng)程序和應用程序為整個(gè)嵌入式系統提供了一個(gè)穩定性好、傳輸速度快、使用方便的USB接口。達到嵌入式系統與PC機之間靈活通信，使本嵌入式指紋自動(dòng)識別系統得到了更廣范的應用。
參考文獻
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