基于PDIUSBD12的USB數據采集系統的設計

1引 言

隨著(zhù)計算機微處理器芯片性能的高速發(fā)展，計算機逐漸在各種領(lǐng)域中廣泛使用，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是計算機本身軟硬件資源的嚴重不足。為節省計算機的軟硬件資源，USB接口應運而生。

USB在誕生之初便面對許多已趨成熟

的計算機接口的挑戰，這既要求它有對于其他接口的明顯優(yōu)勢，并不斷完善，才可能被廣大用戶(hù)接受。表1[1]是USB和其他常見(jiàn)總線(xiàn)在幾個(gè)參數上的比較。

表1 USB及其他常用總線(xiàn)的比較

USB的優(yōu)勢特點(diǎn)：

（1）速度快。高速模式速率為12Mbps，低速模式速率也可達到1.5Mbps。USB2.0理論上傳輸率可以達到480Mbps。

（2）安裝配置容易。USB設備支持即插即用，支持熱拔插。系統對其進(jìn)行自動(dòng)配置，不占用中斷資源或者DMA資源。USB為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了插槽緊張問(wèn)題。

（3）易于擴展。用USB連接的外圍設備數目最多達127個(gè)，通過(guò)集線(xiàn)器可以使外設距離達到12米。

（4）總線(xiàn)供電。USB總線(xiàn)提供最大達5V，500mA電流，對于功耗較小的設備來(lái)說(shuō)這是非常有效的。

（5）使用靈活。USB共有4種傳輸模式以適應不同設備的需要。

（6）價(jià)格便宜。實(shí)現USB功能的模塊具有低廉的價(jià)格。

2 接口芯片PDIUSBD12[2]介紹

PDIUSBD12是Philips公司推出的一種并行接口芯片，它支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸。芯片遵循協(xié)議USB1.1，支持不同用途的傳輸類(lèi)型。PDIUSBD12需要外接微控制器（MCU）來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換，它對MCU沒(méi)有特殊的要求，因此設計者可以選擇適合類(lèi)型的MCU對芯片進(jìn)行控制，也可以利用Philips公司的固件結構來(lái)做開(kāi)發(fā)。

圖1 PDIUSBD12內部結構

PIDUSBD12內部含有集成收發(fā)器接口，可通過(guò)端口電阻直接連接到USB通信電纜。PDIUSBD12片內集成有3.3V調節器，可給收發(fā)器提供電源。該電壓可以外接1.5kΩ的上拉電阻作為輸出，也可以連接內部集成的1.5kΩ的上拉電阻作為SoftConnectTM的內部電源；由于片內集成了6～48MHz 倍頻PLL，因此只需外接低頻晶振就可工作，EMI會(huì )相應降低。

位時(shí)鐘恢復電路將時(shí)鐘從USB數據流中恢復出來(lái)，還可以對頻率漂移和信號抖動(dòng)進(jìn)行跟蹤。

SIE(串行接口引擎)能完整地執行USB協(xié)議，它已經(jīng)被完全固化在芯片內部，因此不需要任何固件干涉。這一部分包括同步識別、并行/串行轉換、CRC檢測/產(chǎn)生、PID確認/產(chǎn)生、地址識別以及握手評定/產(chǎn)生。

SoftConnect(軟連接)可通過(guò)MCU將指令發(fā)到D+(全速設備)來(lái)實(shí)現。PDIUSBD12的初始化在MCU發(fā)命令之前完成。下一次連接無(wú)需拔出USB線(xiàn)就可完成。

對MCU來(lái)說(shuō)，PDIUSBD12是一個(gè)有8位數據總線(xiàn)和1位地址線(xiàn)的存儲設備，它支持地址數據總線(xiàn)復用、非地址數據總線(xiàn)復用以及DMA數據傳輸方式。

當外設經(jīng)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。一旦發(fā)現有設備連接，主機就發(fā)送一系列請求給集線(xiàn)器,使得集線(xiàn)器在主機和設備之間建立一個(gè)通信通道。然后主機開(kāi)始列舉設備，列舉成功后，主機即可從外設獲得相關(guān)的配置信息對外設進(jìn)行配置。只有經(jīng)過(guò)配置以后的外設才能被主機識別，并能和主機進(jìn)行通信。

3 硬 件 設計

此數據采集系統的硬件框圖如圖2所示。由于USB的協(xié)議框架比較大，所以MCU使用帶有8kEPROM的89C52。USB接口芯片為 PDIUSBD12。89C52和D12的連接有獨立的地址數據總線(xiàn)方式和復用的地址數據總線(xiàn)方式。由于PDIUSBD12既要接受來(lái)自89C52的命令又要和89C52進(jìn)行通信，而他們使用共同的接口D[0…7]，所以D12地址的含義是對命令和數據的選擇。在第一種方式中，用A0腳表示地址位：A0為 1表示命令，A0為0表示讀寫(xiě)的是數據，將它與89C52的一個(gè)IO口相連。在發(fā)送命令（數據）前先對A0進(jìn)行置1（0），然后再把命令（數據）的內容送到數據總線(xiàn)上。此時(shí)，D12的ALE腳未使用，可直接接地。而我們在此處是使用第二種連接方式，命令和數據使用不同的地址，地址字節中僅LSB位具有實(shí)際意義。對偶數地址賦值表示送往D12的是讀/寫(xiě)數據，對奇數地址賦值表示往D12寫(xiě)入一個(gè)命令。這種接法中，D12的ALE與89C52的ALE相連，ALE的時(shí)序關(guān)系與89C52跟一般存儲器相連相同，在下降沿對地址鎖存。此時(shí)，A0不使用，應該接高電平。89C52的P0口直接與D12的數據總線(xiàn)相連，作為并行數據和命令傳輸通道。它的時(shí)鐘可以直接從D12的CLKOUT接入，而不需要外接晶振。

圖2 硬件框圖

單片機采集外界模擬量，轉換成數字量，再經(jīng)過(guò)PDIUSBD12通過(guò)USB接口傳送給PC機。這其中主要的難點(diǎn)是89C52和PDIUSBD12之間的通信問(wèn)題，所以我們把主要精力集中在USB協(xié)議這一部分上，重點(diǎn)調通它們之間的通信。

4 軟 件 設 計

4.1固件設計[3][4]

USB單片機固件程序通常由三部分組成：第一、初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD12）；第二、主循環(huán)部分：這部分是可中斷的；第三、中斷服務(wù)程序，可以立即執行。根據USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機開(kāi)始的，這樣單片機作它的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD12），PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷 USB令牌包的類(lèi)型，然后執行相應的操作，因此USB單片機程序主要就是中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)。在 USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應，其中比較難處理的是SETUP包，主要是端口0的編程。

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，以后直接調用函數即可。

在編寫(xiě)USB的單片機固件程序時(shí)，需要注意：

單片機的中斷應設置為電平觸發(fā)；中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器（命令40-45H）,以清除中斷寄存器中的中斷標志。這樣PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平，這一點(diǎn)非常重要。

4.2驅動(dòng)程序[4]

盡管系統已經(jīng)提供了很多標準接口函數，但編制驅動(dòng)程序仍然是USB開(kāi)發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來(lái)實(shí)現。目前有許多第三方軟件廠(chǎng)商提供了各種各樣的生成工具，像 Compuware的driver works，Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內生成高質(zhì)量的USB 的驅動(dòng)程序。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術(shù)來(lái)說(shuō)，USB的驅動(dòng)程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驅動(dòng)程序不同。它是WDM類(lèi)型的。

在調試USB設備時(shí)，可使用UsbView程序檢測設備是否能被Windows枚舉并配置，如果成功，還可在該程序中查看設備描述符、配置描述符和端點(diǎn)描述符是否正確，之后可以使用Driver Wizard生成一個(gè)通用驅動(dòng)程序，在Windows提示安裝驅動(dòng)程序時(shí)，選擇Driver Wizard生成的驅動(dòng)程序。其實(shí)Driver Wizard生成的僅是一個(gè)Windows控制臺的應用程序，它會(huì )調用安裝Driver Wizard時(shí)安裝在系統中的通用USB驅動(dòng)程序。使用該程序就可測試設備是否能夠正確傳輸數據以及傳輸速度。該程序也可作為最終產(chǎn)品USB傳輸部分的框架；如果不能滿(mǎn)足要求，也可用WDM重新編制驅動(dòng)程序，用調試好的USB設備來(lái)開(kāi)發(fā)、調試主機軟件。

4.3用戶(hù)程序

用戶(hù)程序是系統與用戶(hù)的接口，它通過(guò)通用驅動(dòng)程序完成對外設的控制和通信。主機用戶(hù)程序的編寫(xiě)使用VC編譯環(huán)境下的API函數實(shí)現。程序中主要用到兩個(gè)API函數：CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設備，打開(kāi)設備的句柄：調用Win32函數CreatFile( )得到設備驅動(dòng)程序的句柄。然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作：調用Win32函數DeviceIoControl()通過(guò)得到的句柄把IOControlCode 和相關(guān)的輸入輸出緩沖區提交給驅動(dòng)程序。最后關(guān)閉設備句柄：當退出用戶(hù)程序時(shí)，用CloseHandle ( )關(guān)閉設備。

4.4軟件設計框圖及主要程序框架

圖3 固件結構和數據流向

這里只給出主循環(huán)程序和中斷程序的主要框架：

void main (void)

{

init_port ( ); //初始化I/O口

init_timer0 ( ); //初始化定時(shí)器0

init_special_interrupts ( ); //設置中斷

reconnect_USB( ); //重新連接USB

while ( TRUE )

{

if (bEPPflags.bits.timer)

//定時(shí)器溢出,檢測按鍵狀態(tài)

if (bEPPflags.bits.bus_reset)

//總線(xiàn)復位處理

if (bEPPflags.bits.suspend)

//掛起改變處理

{

if(D12SUSPD == 1)

//掛起處理

}

if(bEPPflags.bits.setup_packet)

//Setup包處理

{

control_handler( );

//調用請求處理子程序

}

}

}

void control_handler( ) //請求處理子程序

{

if (type == USB_STANDARD_REQUEST) //調用標準請求

( *StandardDeviceRequest [ req ] ) ( );

}

5 總 結

此數據采集系統已經(jīng)應用于一種自主開(kāi)發(fā)的近紅外光譜儀中，它滿(mǎn)足此近紅外光譜儀采集速度快的要求。以上方案為中小型智能儀器和計算機的高速USB連接提供了一種參考。

參 考 文 獻：

[1]邊海龍，賈少華. USB2.0設備的設計與開(kāi)發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2004年1月.

[2]陳軍波，劉海華，陳亞光.USB接口芯片PDIUSBD12及應用[J].國外電子元器件，2002第11期.

[3]程 讕，楊子杰. 基于PDIUSBD12的USB設備的固件程序開(kāi)發(fā)[J]. 計算機應用，2004年第7期.

[4]周立功. PDIUSBD12固件編程與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2003年2月.