USB設備開(kāi)發(fā)實(shí)例

通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus USB），是一種快速、靈活的總線(xiàn)接口。與其它通信接口比較，USB接口的最大特點(diǎn)是易于使用，這也是USB的主要設計目標。作為一種高速總線(xiàn)接口，USB適用于多種設備，比如數碼相機、MP3播放機、高速數據采集設備等。易于使用還表現在USB接口支持熱插拔，并且所有的配置過(guò)程都由系統自動(dòng)完成，無(wú)需用戶(hù)干預。

從表1可知，數據傳輸速率高是USB接口的另一特點(diǎn)。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高達480Mb/s(USB 2.0規范)的數據傳輸速率，扣除用于總線(xiàn)狀態(tài)、控制和錯誤監測等的數據傳輸，USB的最大理論傳輸速率仍達1.2Mb/s或9.6Mb/s，遠高于一般的串行總線(xiàn)接口。

USB接口芯片價(jià)格低廉，一個(gè)支持USB 1.1規范的USB接口芯片價(jià)格大多在＄1～2之間，跟一個(gè)232或485接口芯片價(jià)格差不多，這也大大促進(jìn)USB設備的開(kāi)發(fā)與應用。

在進(jìn)行一個(gè)USB設備開(kāi)發(fā)之前，首先要根據具體使用要求選擇合適的USB控制器。目前，市場(chǎng)上供應的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機（MCU）或純粹的USB接口芯片。

帶USB接口的單片機從應用上又可以分成兩類(lèi)，一類(lèi)是從底層設計專(zhuān)用于USB控制的單片機，比如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于價(jià)格、開(kāi)發(fā)工具以及單片機性能有限等問(wèn)題，所以一般不推薦選用。另一類(lèi)是增加了USB接口的普通單片機，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增強的8051）、Cypress公司的EZ－USB(基于8051），選擇這類(lèi)USB控制器的最大好處在于開(kāi)發(fā)者對系統結構和指令集非常熟悉，開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單，但對于簡(jiǎn)單或低成本系統，價(jià)格高將會(huì )是最大的障礙。一般來(lái)說(shuō)，后者的價(jià)格是前者價(jià)格的10倍。

純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換。典型產(chǎn)品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12(并行接口），NS公司的USBN9603/9604(并行接口），NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設計（硬件上僅需對并行總線(xiàn)和中斷進(jìn)行改動(dòng)，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數據交換程序、PC機的USB接口通信程序，無(wú)需對原有產(chǎn)品系統結構作很大的改動(dòng)）。

在選定USB控制器以后，如果是帶USB接口的單片機，則是一般單片機應用系統的開(kāi)發(fā)；反之，就是如何把USB接口芯片與單片機應用系統融合的問(wèn)題，一般USB接口芯片都支持多種并行總線(xiàn)結構（復用/非復用），可以方便的與多種單片機接口。硬件設計中要注意的就是USB接口芯片的時(shí)鐘速度比較高，如果芯片內部沒(méi)有PLL來(lái)倍頻，則外部晶體振蕩電路(多數在48MHz)的設計就應該特別注意，包括晶體的選擇(負載電容大?。?、匹配網(wǎng)絡(luò )的設計以及PCB布線(xiàn)。

USB設備的軟件設計主要包括兩部分：一是USB設備端的單片機軟件，主要完成USB協(xié)議處理與數據交換（多數情況下是一個(gè)中斷子程序）以及其它應用功能程序（比如A/D轉換、MP3解碼等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用戶(hù)服務(wù)程序兩部分組成，用戶(hù)服務(wù)程序通過(guò)USB通信程序與系統USBDI(USB Device Interface）通信，由系統完成USB協(xié)議的處理與數據傳輸。PC端程序的開(kāi)發(fā)難度比較大，程序員不僅要熟悉USB協(xié)議，還要熟悉Windows體系結構并能熟練運用DDK工具。

USB接口軟件主要完成USB協(xié)議的處理和數據的交換，一定要嚴格遵循USB2.0規范第九章的規定(詳見(jiàn) Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 : Chapter 9.USB Device Framework www.usb.org）。

要快捷、成功的開(kāi)發(fā)一個(gè)USB設備，正確、合理的調試方法是必不可少的環(huán)節。調試基本分三步進(jìn)行：首先對外部設備（單片機部分）借助PC調試軟件(芯片生產(chǎn)商提供或從網(wǎng)上下載WINRT－USB、Kernel Driver等調試軟件）將設備端的USB協(xié)議(主要有描述符請求、端口配置、地址設置以及基本數據交換）調通。然后，用調試好的USB設備接口來(lái)開(kāi)發(fā)、調試PC軟件，這一步相對比較容易。最后，加上USB設備端的其它用戶(hù)程序，對整個(gè)完整的系統進(jìn)行系統調試。

下面從硬件、軟件兩方面具體介紹作者設計的一個(gè)便攜式USB數據采集設備，重點(diǎn)介紹USB接口部分。該數據采集系統以AD公司的帶8通道12位A/D、2路12位D/A的52內核單片機ADuC812作為系統控制器，采用Philips公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。USB接口電路原理圖如圖1所示。由于系統中需要斷電后保存采集數據，擴展了兩片28F040，因此在這里把PDIUSBD12與CPU的接口采用了總線(xiàn)復用方式，通過(guò)ALE信號把數據分離出來(lái)，并把低64K RAM空間全留給PDIUSBD12(ADuC812的RAM空間有1M，分頁(yè)管理，每頁(yè)64K，共256頁(yè)，對應DPP寄存器值0～255，PDIUSBD12占第0頁(yè)，即DPP＝0），地址線(xiàn)A(P2.0）作為PDIUSBD12的指令/數據選擇線(xiàn)，則地址000100H寫(xiě)指令、000000H讀寫(xiě)數據；單片機的P3.5口線(xiàn)提供PDIUSBD12的復位信號，接非門(mén)是保證單片機復位時(shí)PDIUSBD12也復位。PDIUSBD12與單片機的數據交換采用中斷方式（INT0)，實(shí)際應用中如果系統中斷資源不夠（特別是系統改型設計時(shí))，也可以接成查詢(xún)方式，只是注意查詢(xún)間隔不要超過(guò)USB接口的最大等待時(shí)間(最大500mS)。PDIUSBD12的GOOD-LINK指示燈（LED)在USB通信時(shí)會(huì )閃爍，常亮或一直不亮說(shuō)明USB接口有問(wèn)題，調試時(shí)非常有用。PDIUSBD12采用PLL倍頻產(chǎn)生系統時(shí)鐘，只需外接低頻晶體，PCB設計比較方便。

單片機軟件設計主要注意以下幾點(diǎn)：

* PDIUSBD12的中斷輸出引腳只要中斷寄存器不為0就保持低電平，所以單片機的對應中斷（INT0)應設置成電平觸發(fā)；中斷處理后要用讀上次傳輸狀態(tài)寄存器清除中斷寄存器中對應位(D0－D5）。

* PDIUSBD12靠軟件控制USB端口的連接，程序在系統初始化處理完后軟件設置連接到USB端口，然后開(kāi)中斷。

* PDIUSBD12對內部寄存器的讀寫(xiě)沒(méi)有邊界限制，程序設計中一定不要讀寫(xiě)超過(guò)端點(diǎn)深度的數據。特別對于描述符請求，由于其長(cháng)度大于Control IN 深度（16 Bytes），要分幾個(gè)數據周期傳輸。

* 描述符一定要設置正確，并且注意USB協(xié)議中所有字數據均定義為低字節在前傳輸（LSB），例如Phlips的ID為471H，應在iDVendor中定義成71H、04H。

* 在接收到Setup包后，一定要用ACK Setup指令來(lái)重新使能Control IN 和Control OUT端點(diǎn)。向IN端點(diǎn)寫(xiě)數據后，要用Validate Buffer指令使數據可以在下一個(gè)IN數據周期發(fā)送。從OUT端點(diǎn)讀數據后，要用Clear Buffer指令來(lái)清空緩沖區，否則后面OUT周期傳輸的數據將被丟棄（返回NAK）。

*協(xié)議的處理一定要按USB規范要求進(jìn)行，對無(wú)效請求，用Set Endpoint Status指令將Control IN和Control OUT端點(diǎn)Stall即可。

PC機軟件作者用VC6.0開(kāi)發(fā)，分USB接口通信程序和應用程序兩部分，其開(kāi)發(fā)以及系統調試過(guò)程與前文所述相同，此處不再贅　述?！?/font>