基于51單片機(jī)和PDIUSB12的USB接口設(shè)計(jì)
2016-01-27
作者:張學(xué)峰,陳 瑾,翟從鴻,彭文超,朱家俊
來(lái)源:2015年微型機(jī)與應(yīng)用第5期
摘 要: 為解決51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行總線(xiàn)(USB)的通信問(wèn)題,以PDIUSB12芯片為基礎(chǔ),選擇51單片機(jī)中的STC89C52為示例,設(shè)計(jì)了一款USB的接口電路,解決了多款51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的USB通信困難的問(wèn)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(hù)和計(jì)算機(jī)廠(chǎng)商的廣泛青睞。微控制器(MCU)在與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信時(shí)大多依靠USB來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MCU中,51單片機(jī)是國(guó)內(nèi)使用最廣的單片機(jī)之一,但是由于多款51單片機(jī)無(wú)法直接與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)USB通信,而給許多用戶(hù)開(kāi)發(fā)和使用帶來(lái)不便。本文以51單片機(jī)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(jì)的USB接口電路,解決了MCU和計(jì)算機(jī)的USB通信問(wèn)題。本方案具有價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。
1 電路硬件設(shè)計(jì)
1.1 芯片簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)以單片機(jī)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(diǎn):擁有靈活的8 KB Flash程序存儲(chǔ)器和512 B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,并含有32位I/O口和內(nèi)置的4 KB EEPROM,3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,4個(gè)外部中斷,一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口;掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止;最高運(yùn)作頻率35 MHz,是一種常用性?xún)r(jià)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)2 Mb/s的高速并行接口,集成了320 B的多配置FIFO存儲(chǔ)器,在塊傳輸模式下有1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)與USB相連,多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸[1]??梢园裀DIUSB12、MCU與計(jì)算機(jī)連接,本設(shè)計(jì)中與計(jì)算機(jī)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(qǐng)求引腳INT_N與MCU的外部中斷INT0相連,低電平時(shí)有效;RD_N和WR_N為控制信號(hào),分別與單片機(jī)P3.3口和P3.4口相連;地址位A0與單片機(jī)P3.5口相連,當(dāng)A0為高電平時(shí)表示單片機(jī)發(fā)出命令指令,當(dāng)A0為低電平時(shí)表示單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)指令;DMA請(qǐng)求引腳DMREQ懸空;DMA應(yīng)答引腳DMACK_N低電平時(shí)有效,它與VCC相連無(wú)DMA應(yīng)答;可編程時(shí)鐘輸出DMACK_N懸空[2]。
USB設(shè)備有兩種供電方式:總線(xiàn)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(xiàn)供電方式。USB接口有4個(gè)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(dāng)系統(tǒng)與USB接口連接時(shí),D2燈亮。數(shù)據(jù)口D+、D-用于通信,也可通過(guò)D+、D-的電位狀態(tài)來(lái)判斷系統(tǒng)是否被計(jì)算機(jī)識(shí)別。當(dāng)電位差接近GND時(shí),表示系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接未成功;當(dāng)電位差接近VCC時(shí),表示系統(tǒng)已做好準(zhǔn)備可以與計(jì)算機(jī)通信。也可以通過(guò)GL_N腳的LED燈D1來(lái)進(jìn)行判斷:當(dāng)D1間歇閃爍,表示系統(tǒng)正在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別;當(dāng)D1一直點(diǎn)亮,表示已成功完成識(shí)別,可以通信。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
對(duì)51單片機(jī)和PDIUSB12的USB系統(tǒng)而言,其核心部分是程序設(shè)計(jì),主要包括驅(qū)動(dòng)軟件部分、固件程序部分和應(yīng)用軟件部分。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)軟件利用Windows自帶的驅(qū)動(dòng)軟件,使用HID系統(tǒng)接口協(xié)議,省去了驅(qū)動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)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(jì)算機(jī)通信過(guò)程
PDIUSB12擁有PSIE(Philips串行接口引擎)功能,PSIE實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層,并完全由硬件實(shí)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(shí)別、并行/串行轉(zhuǎn)換、位填充/解除填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、PID校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的通信,需要在USB設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí)進(jìn)行枚舉過(guò)程[3],也就是讓計(jì)算機(jī)識(shí)別與設(shè)置USB設(shè)備、設(shè)備與主機(jī)之間的通信通過(guò)控制傳輸模式進(jìn)行。其過(guò)程主要如下:
?。?)當(dāng)USB設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí),USB設(shè)備處于上電狀態(tài),單片機(jī)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(rèn)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(xiàn)器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)變化,識(shí)別出有高速設(shè)備接入;若上拉電阻將D-拉至高電平,識(shí)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(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)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(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)送Set_Port_Feature請(qǐng)求給集線(xiàn)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(jì)算機(jī)發(fā)送完Set_Port_Feature后,會(huì)不斷向集線(xiàn)器發(fā)送Get_Port_Status請(qǐng)求,以查詢(xún)USB設(shè)備是否完成復(fù)位功能。當(dāng)集線(xiàn)器完成復(fù)位后,USB設(shè)備處于空閑狀態(tài),等待計(jì)算機(jī)發(fā)送新的指令。USB設(shè)備和計(jì)算機(jī)傳輸?shù)哪J(rèn)地址是0和端點(diǎn)0。
?。?)計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)送Set_Address請(qǐng)求向USB設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址。此后計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的所有通信都通過(guò)這個(gè)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。
?。?)地址分配完畢后,計(jì)算機(jī)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(gè)或多個(gè)配置描述符,計(jì)算多次發(fā)送Get_Descriptor()命令來(lái)讀取這些配置描述符。設(shè)備描述符包括端點(diǎn)0的最大包長(zhǎng)度、設(shè)備支持配置和個(gè)數(shù)、設(shè)備類(lèi)型、PID、VID等。計(jì)算機(jī)收到后發(fā)送0 B數(shù)據(jù)包作為應(yīng)答。
?。?)計(jì)算機(jī)讀完設(shè)備描述符后對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置,此時(shí)計(jì)算機(jī)端口會(huì)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(hào)等。
?。?)計(jì)算機(jī)從描述符中得到足夠的信息之后開(kāi)始為設(shè)備安裝驅(qū)動(dòng)。加載驅(qū)動(dòng)后,計(jì)算機(jī)發(fā)送Set_Configration()命令請(qǐng)求為設(shè)備選擇一個(gè)合適的配置,至此USB枚舉過(guò)程結(jié)束[4]。此時(shí),若計(jì)算機(jī)向USB發(fā)送某一數(shù)據(jù)指令,數(shù)據(jù)通過(guò)USB口傳送給PDIUSB12,經(jīng)PDIUSB12交由MCU進(jìn)行處理,處理完畢后其結(jié)果經(jīng)USB接口返還給上位機(jī)軟件顯示出來(lái)。至此,實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)的最基本通信。
2.2 固件程序設(shè)計(jì)
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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行底層設(shè)置和識(shí)別,主要是對(duì)PDIUSB12和MCU的I/O口進(jìn)行識(shí)別和加載的過(guò)程;PDIUSB12命令接口包含若干子程序命令,需要時(shí)可對(duì)子命令進(jìn)行直接調(diào)用;中斷服務(wù)程序(ISR)的主要功能是當(dāng)PDIUSB12發(fā)送中斷請(qǐng)求時(shí),接收傳來(lái)的數(shù)據(jù)并設(shè)定標(biāo)志傳給主循環(huán)程序;標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備處理表示對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行處理;廠(chǎng)商請(qǐng)求處理表示對(duì)用戶(hù)添加的廠(chǎng)商請(qǐng)求進(jìn)行處理[5];主循環(huán)主要是處理用戶(hù)按鍵、I/O口等用戶(hù)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(dāng)需要時(shí)只要從中直接調(diào)用即可。下面列舉其中幾個(gè)主要功能:
INT16U D12_ReadChipID(void)//讀取芯片ID
void D12_SetEndpointEnable(INT8U bEnable)
//設(shè)置端點(diǎn)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(diǎn)選擇
INT8U D12_ReadEndpointStatus(INT8U bEndp)
//讀取端點(diǎn)狀態(tài)
INT8U D12_WriteEndpoint(INT8U endp,INT8U len,
INT8U*buf)//寫(xiě)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(kāi)頭的。其詳細(xì)功能就不一一介紹,可參閱PDIUSB12數(shù)據(jù)手冊(cè)。
2.3 應(yīng)用軟件及程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用軟件是將計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后再返回給計(jì)算機(jī),并通過(guò)上位機(jī)將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。
以計(jì)算機(jī)將發(fā)送給MCU的數(shù)字進(jìn)行+1操作為例,實(shí)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(jì)選擇單片機(jī)多功能調(diào)試助手作為上位機(jī)軟件,這是一款集串口/USB/網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、進(jìn)制轉(zhuǎn)換、字模與數(shù)碼管字型碼制作、常用校驗(yàn)值計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出來(lái),其實(shí)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(jī)和PDIUSB12的USB接口設(shè)計(jì),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(yàn)發(fā)現(xiàn)其性能穩(wěn)定、使用方便、性?xún)r(jià)比高,可作為STC 51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信接口使用。同時(shí)也可為其他USB接口電路的研究提供解決思路。
參考文獻(xiàn)
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