摘  要： 為解決51單片機與計算機的串行總線（USB）的通信問題,，以PDIUSB12芯片為基礎(chǔ),，選擇51單片機中的STC89C52為示例，設(shè)計了一款USB的接口電路,，解決了多款51單片機與計算機的USB通信困難的問題,。

　　關(guān)鍵詞： USB；STC89C52,；PDIUSB12,；通信

0 引言

　　USB因其使用方便、傳輸速度快,、連接靈活而受到用戶和計算機廠商的廣泛青睞,。微控制器（MCU）在與計算機實現(xiàn)通信時大多依靠USB來實現(xiàn)。在MCU中,，51單片機是國內(nèi)使用最廣的單片機之一,，但是由于多款51單片機無法直接與計算機實現(xiàn)USB通信,，而給許多用戶開發(fā)和使用帶來不便。本文以51單片機中的典型代表STC89C52和恩智浦半導(dǎo)體公司的PDIUSB12為基礎(chǔ)設(shè)計的USB接口電路,，解決了MCU和計算機的USB通信問題,。本方案具有價格便宜、使用簡單,、無需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動程序,、即插即用等優(yōu)點。

1 電路硬件設(shè)計

　　1.1 芯片簡介

　　本系統(tǒng)以單片機STC89C52和PDIUSB12接口芯片為基礎(chǔ)而搭建,。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗,、高性能8位CMOS微處理器，具有經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核,，主要有以下功能特點：擁有靈活的8 KB Flash程序存儲器和512 B RAM數(shù)據(jù)存儲器,，并含有32位I/O口和內(nèi)置的4 KB EEPROM，3個16位定時器/計數(shù)器,，4個外部中斷,，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口,；掉電保護方式下,，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié),，單片機一切工作停止,，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止；最高運作頻率35 MHz,，是一種常用性價比較高的MCU,。

　　USB接口芯片采用的PDIUSB12是一種高性能USB接口器件，集成了SIE,、FIFO存儲器,、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器。它支持本地的DMA傳輸,，能夠與外部的微處理器實現(xiàn)2 Mb/s的高速并行接口,，集成了320 B的多配置FIFO存儲器，在塊傳輸模式下有1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,，可通過軟件實現(xiàn)與USB相連,，多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸[1]?？梢园裀DIUSB12,、MCU與計算機連接，本設(shè)計中與計算機相連的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

　　1.2 硬件電路

　　由STC89C52和PDIUSB12構(gòu)成的USB接口電路圖如圖2所示,，PDIUSB12的8位并行數(shù)據(jù)分別與STC89C52的P0口連接,；ALE表示地址鎖存功能，與GND相連,，關(guān)閉地址信息鎖存,；CS_N表示片選功能，與GND相連,，芯片一直處于工作狀態(tài),；SUSPEND與GND相連，掛起功能失效,；中斷請求引腳INT_N與MCU的外部中斷INT0相連,，低電平時有效；RD_N和WR_N為控制信號,，分別與單片機P3.3口和P3.4口相連,；地址位A0與單片機P3.5口相連，當A0為高電平時表示單片機發(fā)出命令指令,，當A0為低電平時表示單片機發(fā)出數(shù)據(jù)指令,；DMA請求引腳DMREQ懸空；DMA應(yīng)答引腳DMACK_N低電平時有效,，它與VCC相連無DMA應(yīng)答,；可編程時鐘輸出DMACK_N懸空[2]。

　　USB設(shè)備有兩種供電方式：總線供電和自供電方式,，為了方便使用,、減少外圍電路的復(fù)雜程度，本文選擇了總線供電方式,。USB接口有4個引腳，分別是5 V的VCC口,、GND,、數(shù)據(jù)口D+和D-。LED燈D2與USB的VCC口和GND相連,，當系統(tǒng)與USB接口連接時,，D2燈亮。數(shù)據(jù)口D+,、D-用于通信,，也可通過D+、D-的電位狀態(tài)來判斷系統(tǒng)是否被計算機識別,。當電位差接近GND時,，表示系統(tǒng)與計算機連接未成功；當電位差接近VCC時,，表示系統(tǒng)已做好準備可以與計算機通信,。也可以通過GL_N腳的LED燈D1來進行判斷：當D1間歇閃爍,，表示系統(tǒng)正在與計算機進行識別；當D1一直點亮,，表示已成功完成識別,，可以通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　對51單片機和PDIUSB12的USB系統(tǒng)而言,，其核心部分是程序設(shè)計,，主要包括驅(qū)動軟件部分、固件程序部分和應(yīng)用軟件部分,。為簡化設(shè)計,，驅(qū)動軟件利用Windows自帶的驅(qū)動軟件，使用HID系統(tǒng)接口協(xié)議,，省去了驅(qū)動軟件的開發(fā)過程,。因此固件程序和應(yīng)用軟件程序是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

　　2.1 USB設(shè)備與計算機通信過程

　　PDIUSB12擁有PSIE（Philips串行接口引擎）功能,，PSIE實現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層,，并完全由硬件實現(xiàn)而不需要軟件的參與。該模塊的功能包括同步模式的識別,、并行/串行轉(zhuǎn)換,、位填充/解除填充、CRC校驗/產(chǎn)生,、PID校驗/產(chǎn)生,、地址識別和握手評估/產(chǎn)生。要實現(xiàn)計算機與USB設(shè)備的通信,，需要在USB設(shè)備接入計算機時進行枚舉過程[3],，也就是讓計算機識別與設(shè)置USB設(shè)備、設(shè)備與主機之間的通信通過控制傳輸模式進行,。其過程主要如下：

　?。?）當USB設(shè)備接入計算機時，USB設(shè)備處于上電狀態(tài),，單片機和PDIUSB12上電,。在PDIUSB12芯片內(nèi)部的D+、D-上集成有1.5 k?贅的上拉電阻,，默認狀態(tài)下此上拉電阻不與VCC相連,。上電后，若將D+拉至高電平,，根據(jù)集線器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化,，識別出有高速設(shè)備接入；若上拉電阻將D-拉至高電平，識別出有低速設(shè)備接入,。本系統(tǒng)設(shè)定的是高速USB設(shè)備,。在MCU完成初始化操作中，設(shè)置D+為高電平,。

　?。?）當計算機檢測USB設(shè)備已經(jīng)接入并判斷出是高速設(shè)備還是低速設(shè)備后，計算機會發(fā)送Set_Port_Feature請求給集線器用以管理端口USB設(shè)備,，并將D+,、D-置低電平狀態(tài)（即復(fù)位狀態(tài)），持續(xù)10 ms后回到通信狀態(tài),。在計算機發(fā)送完Set_Port_Feature后,，會不斷向集線器發(fā)送Get_Port_Status請求，以查詢USB設(shè)備是否完成復(fù)位功能,。當集線器完成復(fù)位后,，USB設(shè)備處于空閑狀態(tài)，等待計算機發(fā)送新的指令,。USB設(shè)備和計算機傳輸?shù)哪J地址是0和端點0,。

　　（3）計算機通過發(fā)送Set_Address請求向USB設(shè)備分配一個唯一的地址,。此后計算機與USB設(shè)備的所有通信都通過這個地址來實現(xiàn),。

　　（4）地址分配完畢后,，計算機從新地址獲取設(shè)備描述符,。設(shè)備描述符中規(guī)定了一個或多個配置描述符，計算多次發(fā)送Get_Descriptor（）命令來讀取這些配置描述符,。設(shè)備描述符包括端點0的最大包長度,、設(shè)備支持配置和個數(shù)、設(shè)備類型,、PID,、VID等。計算機收到后發(fā)送0 B數(shù)據(jù)包作為應(yīng)答,。

　?。?）計算機讀完設(shè)備描述符后對設(shè)備進行配置,，此時計算機端口會彈出窗口,，展示發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的信息、產(chǎn)商,、產(chǎn)品描述,、型號等。

　　（6）計算機從描述符中得到足夠的信息之后開始為設(shè)備安裝驅(qū)動,。加載驅(qū)動后,，計算機發(fā)送Set_Configration（）命令請求為設(shè)備選擇一個合適的配置，至此USB枚舉過程結(jié)束[4],。此時,，若計算機向USB發(fā)送某一數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)通過USB口傳送給PDIUSB12,，經(jīng)PDIUSB12交由MCU進行處理,，處理完畢后其結(jié)果經(jīng)USB接口返還給上位機軟件顯示出來。至此,，實現(xiàn)USB設(shè)備與計算機的最基本通信,。

　　2.2 固件程序設(shè)計

　　2.2.1 固件結(jié)構(gòu)

　　固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖3所示。在硬件提取層中首先要對系統(tǒng)進行底層設(shè)置和識別,，主要是對PDIUSB12和MCU的I/O口進行識別和加載的過程,；PDIUSB12命令接口包含若干子程序命令，需要時可對子命令進行直接調(diào)用,；中斷服務(wù)程序（ISR）的主要功能是當PDIUSB12發(fā)送中斷請求時,，接收傳來的數(shù)據(jù)并設(shè)定標志傳給主循環(huán)程序；標準設(shè)備處理表示對USB的標準設(shè)備請求進行處理,；廠商請求處理表示對用戶添加的廠商請求進行處理[5],；主循環(huán)主要是處理用戶按鍵、I/O口等用戶自定義功能和接收各模塊的數(shù)據(jù)處理的功能,。

　　2.2.2 PDIUSB12接口命令

　　該模塊包含PDIUSB12的所有子程序,，當需要時只要從中直接調(diào)用即可。下面列舉其中幾個主要功能：

　　INT16U D12_ReadChipID（void）//讀取芯片ID

　　void D12_SetEndpointEnable（INT8U bEnable）

　　//設(shè)置端點使能

　　void D12_SetMode（INT8U bConfig,，INT8U bClkDiv）

　　//模式設(shè)置

　　void D12_SetDMA（INT8U bMode）//DMA工作方式設(shè)置

　　INT16U D12_ReadInterruptRegister（void）

　　//讀取中斷寄存器值

　　INT8U D12_SelectEndpoint（INT8U bEndp）//端點選擇

　　INT8U D12_ReadEndpointStatus（INT8U bEndp）

　　//讀取端點狀態(tài)

　　INT8U D12_WriteEndpoint（INT8U endp,，INT8U len，

　　INT8U*buf）//寫入數(shù)據(jù)

　　void D12_AcknowledgeEndpoint（INT8U endp）//答應(yīng)setup

　　在該模塊下的大多函數(shù)都是D12開頭的,。其詳細功能就不一一介紹,，可參閱PDIUSB12數(shù)據(jù)手冊。

　　2.3 應(yīng)用軟件及程序設(shè)計

　　應(yīng)用軟件是將計算機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后再返回給計算機,，并通過上位機將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)顯示出來,。

　　以計算機將發(fā)送給MCU的數(shù)字進行+1操作為例，實現(xiàn)該功能的應(yīng)用程序如下：

　　if（bEPPflags.bits.ep2_rxdone）

　　{

　　bEPPflags.bits.ep2_rxdone=0,；

　　D12_WriteEndpoint（5,，EP2_PACKET_SIZE，EpBuf）,；

　　}

　　本設(shè)計選擇單片機多功能調(diào)試助手作為上位機軟件,，這是一款集串口/USB/網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、進制轉(zhuǎn)換、字模與數(shù)碼管字型碼制作,、常用校驗值計算,、UNICODE碼轉(zhuǎn)換、位圖輸出C文件等眾多功能于一身的綜合型調(diào)試軟件,。將實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果顯示出來,，其實現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)論

　　本文研究了基于STC 51單片機和PDIUSB12的USB接口設(shè)計,，以STC89C52為示例提出了整體研究方案,。該方案采用HID系統(tǒng)接口協(xié)議，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)其性能穩(wěn)定,、使用方便,、性價比高，可作為STC 51單片機與計算機的通信接口使用,。同時也可為其他USB接口電路的研究提供解決思路,。

參考文獻

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