SPCE061A單片機(jī)在USB通訊中的應(yīng)用

   USB(Universal Serial Bus)是通用串行總線。最初USB是由Compaq、Digital、IBM、Intel、Microsoft、NEC以及Northern Telecom(北方電信公司)七家公司共同開發(fā)的一種新的外設(shè)連接技術(shù)。諸家公司聯(lián)合提出這一新型總線，是為了解決PC機(jī)外圍設(shè)備的擁擠和提高設(shè)備的傳輸速度。目前普遍采用的USB1．1主要應(yīng)用在中低速外部設(shè)備上，它提供的傳輸速度有低速1．5Mbps和全速 12Mbps兩種?？鄢糜诳偩€狀態(tài)、控制和錯(cuò)誤監(jiān)測等的數(shù)據(jù)傳輸，USB的最大理論傳輸速率仍達(dá)1.2Mb/s或9.6Mb/s，遠(yuǎn)高于一般的串行總線接口。現(xiàn)有的USB外設(shè)有：數(shù)字照相機(jī)、音箱、游戲桿、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、打印機(jī)、光驅(qū)、軟驅(qū)等。1998年后隨著微軟在Windows98中內(nèi)置了對(duì)USB接口的支持模塊，加上 USB設(shè)備的日漸增多，USB逐步走進(jìn)了實(shí)用階段、以驚人的速度發(fā)展。

    由于現(xiàn)在市面上新出一款單片機(jī)SPCE061A，它非常有特色。本文主要介紹，利用SPCE061A和USB接口芯片PDIUSBD12來開發(fā)USB設(shè)備。SPCE061A單片機(jī)由臺(tái)灣凌陽公司制造，SPCE061A單片機(jī)款式新穎，而且性價(jià)比極高。 SPCE061A在2.6V~3.6V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0.32MHz~49.152MHz；2K字SRAM和32K字FLASH僅占一頁存儲(chǔ)空間；32位可編程的多功能I/O端口；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；8通道10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入功能并具有內(nèi)置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式；雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能；指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的16位×16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了DSP功能.....。較高的處理速度使SPCE061A能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。開發(fā)數(shù)字聲音和語音識(shí)別產(chǎn)品，選擇SPCE061A是一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。

    本文所設(shè)計(jì)的USB設(shè)備系統(tǒng)的功能比較簡單，它主要實(shí)現(xiàn)SPCE061A與PC機(jī)之間的簡單通訊，是SPCE061A單片機(jī)的一種基本應(yīng)用。這篇文章的主要目的是希望能夠給讀者起拋磚引玉的作用,開發(fā)者可以在這個(gè)基礎(chǔ)上修改程序，輕松實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有三種簡單功能：1.檢測USB外設(shè)是否連接成功。 2.通過點(diǎn)擊PC端的應(yīng)用軟件上的按鈕，可以點(diǎn)亮或熄滅與SPCE061A單片機(jī)IO口相連的LED燈。3.應(yīng)用軟件發(fā)送任意字符串到SPCE061A，SPCE061A接受、回送字符串，應(yīng)用軟件接受到字符串時(shí)，能夠?qū)⑺@示出來。

     4.1系統(tǒng)組成

    本USB通訊系統(tǒng)，主要由凌陽十六位單片機(jī)SPCE061A，Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12組成，系統(tǒng)框圖如圖3.10所示。

    這個(gè)系統(tǒng)的基本工作流程為：PC端應(yīng)用軟件，發(fā)送ID0（為了使主機(jī)和設(shè)備方能同步，該系統(tǒng)定義了三個(gè)握手ID：ID0,ID1,ID2。）給PDIUSBD12，PDIUSBD12接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生中斷通知SPCE061A單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。SPCE061A如果讀取的數(shù)據(jù)為ID0，那么發(fā)送ID0給PDIUSBD12；PC機(jī)端應(yīng)用軟件發(fā)送完數(shù)據(jù)后，讀取外設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果讀到的數(shù)據(jù)為ID0,那么彈出一個(gè)提示框，提示USB外設(shè)連接成功。此后PC機(jī)端的應(yīng)用軟件和USB外設(shè)之間的通訊都是通過ID來進(jìn)行的。

     4.2硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)電路原理圖如圖3.11所示。其中PDIUSBD12用作實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行通信的高速通用并行接口。USB協(xié)議層的相關(guān)通訊協(xié)議通過PDIUSBD12來實(shí)現(xiàn)，它由硬件實(shí)現(xiàn)不需要固件的參與。SPCE061A單片機(jī)的主要作用：1.windows系統(tǒng)配置、枚舉USB外設(shè)時(shí)，SPCE061A發(fā)送、接收相關(guān)的USB設(shè)備信息。2. windows系統(tǒng)配置、枚舉USB外設(shè)成功后，根據(jù)接收到的ID,進(jìn)行相應(yīng)的操作，起控制作用。

    SPCE061A內(nèi)嵌32K的FLASH的存儲(chǔ)空間、14個(gè)中斷源,它在2.6~3.6V的工作電壓范圍內(nèi)的工作速率范圍為0.32MHz～49MHz，這使得它有較高的速率和存儲(chǔ)空間來應(yīng)付USB通訊。單片機(jī)SPCE061A與PDIUSBD12之間通訊采用中斷方式，數(shù)據(jù)交換主要是靠SPCE061A單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。

    PDIUSBD12通過這種方式來識(shí)別命令和數(shù)據(jù)：在ALE信號(hào)的下降沿時(shí)鎖定地址，如果是奇地址，那么它接收的是命令；如果是偶地址，那么它發(fā)送或接收的是數(shù)據(jù)。PDIUSBD12的中斷寄存器只要不為0,它的中斷輸出引腳（INT_N）就保持低電平，所以系統(tǒng)初始化時(shí)可將SPCE061A單片機(jī)的外部中斷（下降沿觸發(fā)）引腳IOB2設(shè)置為帶上拉電阻輸入。當(dāng)PDIUSBD12的中斷寄存器由零變?yōu)榉橇銜r(shí)，馬上觸發(fā)SPCE061A的外部中斷，SPCE061A單片機(jī)在中斷處理時(shí)，讀取PDIUSBD12芯片的狀態(tài)寄存器以清除中斷寄存器中對(duì)應(yīng)位，使得中斷引腳變?yōu)楦唠娖?。這樣使得SPCE061A可以在退出中斷后，可隨時(shí)響應(yīng)外部中斷。

    圖3.11中的LED1燈非常有用，它是PDIUSBD12的GOODLINK指示燈，在系統(tǒng)枚舉時(shí)會(huì)根據(jù)通信的狀況間歇閃爍，當(dāng)PDIUSBD12被枚舉和配置成功后，將一直點(diǎn)亮。隨后在USB通信時(shí)會(huì)閃爍，這對(duì)調(diào)試非常有用。

     4.3軟件設(shè)計(jì)

    USB設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：一、USB設(shè)備端的單片機(jī)軟件，主要完成USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換。二、PC端的程序，由USB驅(qū)動(dòng)程序和用戶服務(wù)程序兩部分組成，用戶服務(wù)程序通過USB驅(qū)動(dòng)程序通信，由系統(tǒng)完成USB協(xié)議的處理與數(shù)據(jù)傳輸。 

    該系統(tǒng)單片機(jī)端的軟件流程如圖3.12所示。SPCE061A單片機(jī)控制程序由三部分組成：第一、初始化SPCE061A和PDIUSBD12。 第二、主循環(huán)部分，主要任務(wù)是判斷標(biāo)志位是否改變，如果改變則執(zhí)行相應(yīng)的程序，否則一直循環(huán)等待中斷。第三、中斷服務(wù)程序，主要任務(wù)是接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。主機(jī)首先要發(fā)令牌包給PDIUSBD12，PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷 USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，單片機(jī)程序主要就是中斷服務(wù)程序的編寫。在 USB單片機(jī)程序中要完成對(duì)各種令牌包的響應(yīng)，其中比較難處理的是SETUP包，主要是端點(diǎn)0的編程。

    系統(tǒng)初始化部分包括系統(tǒng)時(shí)鐘，IO口，中斷設(shè)置（開外部中斷），PDIUSBD12芯片軟件復(fù)位、初始化。該主流程的核心部分是協(xié)議層的請(qǐng)求處理，它關(guān)系到PC機(jī)枚舉USB外設(shè)成功與否。所以在調(diào)試單片機(jī)程序的時(shí)候，要特別注意Window對(duì)USB設(shè)備的枚舉順序。如果枚舉成功，主機(jī)將找到新的設(shè)備，提示安裝驅(qū)動(dòng)程序；否則找到未知設(shè)備，USB外設(shè)不可用。

    中斷服務(wù)子程序的編寫，采用混合編程，也就是說，在匯編程序中調(diào)用C函數(shù)，這樣可以提高代碼的可讀性。中斷服務(wù)子程序的流程如圖3.13所示，有好幾個(gè)地方，只做清中斷處理，這是因?yàn)橛行┒它c(diǎn)沒有用到。它只作為一個(gè)程序接口，為擴(kuò)展系統(tǒng)功能用。

    目前編寫主機(jī)的USB驅(qū)動(dòng)程序主要采用三種方法。第一，使用Windows DDK來編寫驅(qū)動(dòng)程序，難度很大，但是非常靈活；第二，使用DriverStudio開發(fā)工具來生成驅(qū)動(dòng)程序；第三，使用Windriver開發(fā)工具來生成驅(qū)動(dòng)程序。用后面兩種方法來開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的周期短，但是不靈活。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序采用DDK編寫，用戶服務(wù)程序能夠通過驅(qū)動(dòng)程序與PDIUSBD12芯片中任意端點(diǎn)通訊，因此編寫用戶服務(wù)程序也是非常靈活的。

    4.4總結(jié)

    通常在開發(fā)USB設(shè)備產(chǎn)品，需要編寫實(shí)時(shí)性、程序可讀性要求很高的代碼，這時(shí)就需要采用混合編程。而凌陽的m’nSP™ IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、很容易進(jìn)行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。

    在該系統(tǒng)中，只用到了SPCE061A單片機(jī)的外部中斷、IO口資源。其實(shí)SPCE061A單片機(jī)的資源很豐富，它除了具有普通單片機(jī)功能以外，還具有語音識(shí)別、語音錄放等功能。因此這個(gè)系統(tǒng)只是一個(gè)雛形，SPCE061A還能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的功能，比如使用SPCE061A的錄音功能進(jìn)行錄音并將語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)的FLASH，然后通過USB通訊，將語音數(shù)據(jù)送到PC機(jī)上播放，同樣也可以將PC機(jī)上壓縮后的語音文件下載到SPCE061A上進(jìn)行播放。這樣可以很容易使用SPCE061A可以開發(fā)錄音筆、電話記錄儀等USB設(shè)備。因此利用SPCE061A開發(fā)USB設(shè)備產(chǎn)品的前景是非常廣闊的。