USB接口技術(shù)及電路設計分析

　　目前，市場(chǎng)上提供的USB接口電路板很多，但大部分僅使用普通的工作模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開(kāi)發(fā)。

　　所謂的DMA傳送方式，全名叫直接存儲器存取(Direct Memory Access)數據傳送方式，是指采用專(zhuān)門(mén)的硬件(DMA控制器)來(lái)執行數據傳送。DMA控制器可以從CPU那里接管系統總線(xiàn)的控制權，并且由本身發(fā)出存儲器地址信號以及訪(fǎng)問(wèn)存儲器和I/O設備的讀/寫(xiě)脈沖等控制信號，使得數據通過(guò)總線(xiàn)，直接在存儲器和I/O設備之間(或I/O設備與存儲器之間，存儲器與存儲器之間)進(jìn)行傳送。在DMA接管總線(xiàn)執行數據傳送過(guò)程中，CPU暫停工作。

　　由于DMA傳送方式僅僅在需要占用總線(xiàn)傳送數據時(shí)才暫停CPU的操作，CPU的工作效率極高，傳輸數據可由硬件自身控制，大大提高了傳送速率，十分適合于高速數據的采集。

　　下面就介紹一下我們利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線(xiàn)的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路。

　　4.1 系統概況

　　該系統主要實(shí)現USB的接口功能，通過(guò)它，外設與計算機之間可以實(shí)現USB方式的連接。外設接口1用于DMA方式數據的傳送，可與CCD攝像頭等設備相連。外設接口2采用了標準的IDE接口方式，可直接于硬盤(pán)等大容量存儲器相連，傳輸海量數據，也可以通過(guò)接口轉換，與其他功能的外設相連，具有較廣的適用性。

　　下面說(shuō)明了此多功能USB接口電路的框圖：

　　這個(gè)框圖顯示了兩種接口方案：普通模式和DMA模式。

　　(1)方案一：普通模式

　　圖4-2是該USB接口電路普通模式的框圖，該框圖說(shuō)明了連接外設的一種簡(jiǎn)單模式，所有寄存器和數據的讀寫(xiě)都是通過(guò)8051 的I/O 來(lái)仿真的，因此數據吞吐速率較低，適合間歇式數據的傳送。

　　(2)方案二：DMA模式

　　數據傳送以DMA方式，直接由D12傳送到計算機里，MCU只完成DMA的初始化工作，傳輸速度快，適合于視頻數字信號等高速實(shí)時(shí)傳送。

　　系統詳細的電原理圖和電路板結構圖參見(jiàn)附錄。

　　4.2 系統主要部件及電路

　　該系統主要由89C51控制電路、PDIUSBD12 接口電路、數據選擇電路、串并轉換電路、掛起復位電路、IDE擴展接口電路等組成，下面分述各部分的功能和特點(diǎn)。

　　4.2.1 89C51控制電路

　　89C51是該接口電路的控制核心，其中P0,P2口用做16位數據I/O口，P1,P3口用做控制。

　　89C51的晶振頻率為24MHz,每個(gè)機器周期為0.5us.

　　4.2.2 PDIUSBD12 接口電路

　　PDIUSBD12是一個(gè)性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統并與微控制器通過(guò)高速通用并行接口進(jìn)行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實(shí)現一個(gè) USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統微控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險和成本，是開(kāi)發(fā)低成本且高效的USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規范，也能適應大多數設備類(lèi)規范的設計，如成像類(lèi)、大容量存儲類(lèi)、通信類(lèi)、打印類(lèi)和人工輸入設備等，因此，PDIUSBD12 非常適合做很多外圍設備，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器( Zip驅動(dòng)器)和數碼相機等?，F在用SCSI實(shí)現的很多設備如果用 USB來(lái)實(shí)現可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12掛起時(shí)的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI 、OnNOW和USB電源管理設備的要求。低功耗工作允許實(shí)現總線(xiàn)供電的外圍設備。

　　PDIUSBD12還集成了像SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實(shí)現時(shí)節省成本，同時(shí)在外圍設備上很容易實(shí)現更高級的 USB功能。

　　(1)內部結構

　?、?模擬收發(fā)器。集成的收發(fā)器直接通過(guò)終端電阻與USB電纜接口。

　?、?電壓調整器。片上集成的1個(gè)3.3 V電壓調整器為模擬收發(fā)器供電，也提供連接到外部1.5 kΩ上拉電阻的輸出電壓。作為選擇，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉電阻的SoftConnect技術(shù)。

　?、?PLL。片上集成1個(gè)6~48 MHz的倍頻PLL(鎖相環(huán))，允許使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低頻晶振而減小。PLL的工作不需要外部器件。

　?、?位時(shí)鐘恢復。位時(shí)鐘恢復電路用4倍過(guò)采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時(shí)鐘，能跟蹤USB規范中指出的信號抖動(dòng)和頻率漂移。

　?、?PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實(shí)現USB協(xié)議層?？紤]到速度，它是全硬件的， 不需要固件(微程序)介入。這個(gè)模塊的功能包括：同步模式識別、并 /串轉換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定。

　?、?SoftConnect。高速設備與USB的連接是靠把D+通過(guò)1個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來(lái)建立的。在PDIUSBD12中，這個(gè)上拉電阻是集成在芯片 內的，缺省是沒(méi)有連接到VDD，這個(gè)連接是靠外部 MCU發(fā)一個(gè)命令來(lái)建立的。這使得系統微處理器可以在決定建立 USB連接之前完成初始化。重新初始化USB總線(xiàn)連接也可以不用拔掉電纜來(lái)完成。

　?、?GoodLink。GoodLink是靠一個(gè)引腳接發(fā)光二極管實(shí)現的。在 USB設備枚舉時(shí)LED指示燈將立即閃亮;當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時(shí)， LED指示燈將會(huì )始終亮;經(jīng)過(guò)PDIUSBD12的USB數據傳輸過(guò)程中， LED將一閃一閃，傳輸成功后LED熄滅;在掛起期間，LED熄滅。這種特性可以使我們知道 PDIUSBD12的狀態(tài)，方便電路調試?！、?存儲器管理單元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能緩沖USB(工作在 12Mb/s)數據傳輸和微控制器之間并行接口之間的速度差異，這允 許微控制器以自己的速度讀寫(xiě)USB包。

　?、?并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接與主微控制器接口。對于微控制器，PDIUSBD12可以看成是一個(gè)有8位數據總線(xiàn)和1位地址線(xiàn)的存儲設備。 PDIUSBD12支持多路復用和非多路復用的地址和數據總線(xiàn)。在主端點(diǎn)(端點(diǎn) 2)和局部共享存儲器之間也可使用DMA(直接存儲器存取)傳輸。它支持單周期模式和塊傳送模式 兩種DMA傳輸。

　　(2)PDIUSBD12引腳說(shuō)明

　　(3)PDIUSBD12的典型連接

　　PDIUSBD12與80C51的連接電路如 圖4-6 所示。在這個(gè)例子中， ALE始終接低電平，說(shuō)明采用單獨地址和數據總線(xiàn)配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳，控制是命令還是數據輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數據總線(xiàn)相連接，CLKOUT 時(shí)鐘輸出為80C51提供時(shí)鐘輸入。

　　(4)PDIUSBD12的DMA 傳輸

　　直接存儲器尋址 允許在主端點(diǎn)和本地共享存儲器間實(shí)現數據塊的有效傳輸.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端點(diǎn)和本地共享存儲器間的數據傳輸可自主進(jìn)行而不需要本地CPU 的干預.要處理任何DMA傳輸,本地CPU 從主機接收必要的建立信息并對DMA控制器進(jìn)行相應的編程.典型的對DMA控制器的傳輸模式、字節計數寄存器和地址計數器進(jìn)行正確的編程。在該模式下， PDIUSBD12 發(fā)出請求時(shí)開(kāi)始傳輸，當字節計數器減少為零時(shí)終止。在DMA 控制器編程之后，本地CPU 在初始化傳輸時(shí)將PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。