基于PDIUSBD12芯片的USB接口設(shè)計(jì)

       隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)外設(shè)種類(lèi)的增多與有限的主板插槽和端口之間的矛盾日益突出，由Intel，Microsoft等公司聯(lián)合制定的總線接口規(guī)范即通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）的出現(xiàn)^［1］，為解決這一矛盾提出了最好的解決方案。USB具有以下特點(diǎn)：

    (1)有較高的傳輸速率USB 1.1支持全速和低速2種方式。全速速率為12 Mb/s，低速速率為1.5 Mb/s；?USB 2.0除支持USB 1.1的2種速度方式外，還增加了速率可達(dá)480 Mb/s的高速方式。
    （2）他的使用方便靈活^［2］USB支持即插即用和熱插拔，他允許在任何時(shí)候連接和斷開(kāi)外設(shè)，當(dāng)外設(shè)被連接時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到外設(shè)并準(zhǔn)備使用。
    (3)他易于擴(kuò)展通過(guò)根集線器可攜帶127個(gè)設(shè)備^［3］，真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)外設(shè)共用一個(gè)接口。

    此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)而倍受歡迎。

  ?目前供于開(kāi)發(fā)USB設(shè)備的芯片很多，但主要有2類(lèi)：一類(lèi)是帶USB接口的微控制器（MCU），這些微控制器有些是從底層專(zhuān)用于USB控制的，比如Cypress半導(dǎo)體公司的CY7C63xxx（低速）、CY7C64013（全速），這類(lèi)微控制器有自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令；有些微控制器只是增加了USB接口的通用芯片（基于8051內(nèi)核），比如Intel公司的8x931，8x930，Cypress半導(dǎo)體公司的EZUSB；另一類(lèi)是純粹的USB接口芯片，他需要一個(gè)外部微控制器控制，比如朗訊公司的USS820/825，National半導(dǎo)體公司的USBN9602，NetChip公司的NET2888，Philips公司的PDIUSBD11（I2C）和PDIUSBD12（并行接口）。因此在USB設(shè)備開(kāi)發(fā)之前必須根據(jù)具體要求選用合適的USB接口芯片，以降低開(kāi)發(fā)成本、減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。本文以PDIUSBD12為USB接口芯片，以ADuC812為控制器完成了USB接口的設(shè)計(jì)。

1PDIUSBD12芯片和ADuC812芯片簡(jiǎn)介
1.1PDIUSBD12 簡(jiǎn)介
  ?PDIUSBD12是Philips公司推出的一款特點(diǎn)突出的USB接口芯片。該芯片使用8位并行數(shù)據(jù)線連接到MCU，1位地址線用來(lái)區(qū)分寫(xiě)命令或讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，他支持3個(gè)USB端點(diǎn)，1個(gè)端點(diǎn)能保存128 B，另2個(gè)能保存256 B。

  ?PDIUSBD12完全遵從USB 1.1協(xié)議，他內(nèi)部集成有串行接口引擎（SIE）、320 b FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器（Transceiver）和電壓調(diào)節(jié)器，其原理框圖如圖1所示。還有可編程的時(shí)鐘輸出和狀態(tài)LED輸出（GoodLink^TM），可控制的軟件連接（SoftConnect^TM）以及內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路。有2種電源供電方式：內(nèi)部3.3±0.3 V電源和外部電源（電壓范圍3.6～5.5 V）。溫度范圍為－40℃～＋85 ℃，采用28腳SSOP封裝。

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       對(duì)外部微控制器沒(méi)有任何限制，開(kāi)發(fā)者可以選用自己熟悉的MCU來(lái)控制。多種中斷方式方便于塊傳輸（Bulk）和同步傳輸（Isochronous），使用塊傳輸方式時(shí)的速度可達(dá)1 Mb/s，同步傳輸?shù)乃俣瓤蛇_(dá)1 Mb/s。他適合大多數(shù)USB設(shè)備類(lèi)的設(shè)計(jì)：圖像設(shè)備類(lèi)、大容量存儲(chǔ)設(shè)備類(lèi)、通信設(shè)備類(lèi)、打印設(shè)備類(lèi)、人機(jī)接口設(shè)備類(lèi)等。

1.2ADuC812簡(jiǎn)介
  ?ADuC812是美國(guó)AD公司首先投入市場(chǎng)的微處理器，其內(nèi)部集成了完整的8052內(nèi)核、1個(gè)8通道的12位ADC、2個(gè)12位的電壓輸出DAC，除了8052的256 b RAM外，還有640 b Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8 kb Flash程序存儲(chǔ)器^［4］。

  ?另外該MCU還有看門(mén)狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器、ADC與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的DMA功能，以及為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供了32條可編程的I/O線、I²C兼容的SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART串行I/O等。他采用52腳PQF封裝，大小約為1 cm²。

  ?同時(shí)，AD公司還為ADuC812的開(kāi)發(fā)提供了完整的硬件調(diào)試工具和開(kāi)發(fā)仿真軟件，使得開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單方便。因此，ADuC812由于體積小、功耗低、性?xún)r(jià)比高而極具誘人的應(yīng)用前景。

2硬件電路設(shè)計(jì)
  ?由PDIUSBD12和ADuC812構(gòu)成的USB接口電路如圖2所示。PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入ADuC812 的P0口，地址線A15（P2?7）作為PDIUSBD12的片選，地址線A14（P2.6）作為PDIUSBD12的命令或數(shù)據(jù)的選擇線。在片選信號(hào)有效的前提下（P2.7=0），當(dāng)P2.6=1時(shí)，給PDIUSBD12發(fā)命令；當(dāng)P2.6=0時(shí)，給PDIUSBD12寫(xiě)數(shù)據(jù)或從PDIUSBD12的 Buffer中讀數(shù)據(jù)；因此，地址0x7FFF發(fā)命令，地址0x3FFF讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。PDIUSBD12與ADuC812的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式（外部中斷0）。他的一個(gè)輸出（GL_-N）接LED對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，這個(gè)LED在USB被連接時(shí)會(huì)發(fā)光，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)閃爍，LED常亮或一直不亮說(shuō)明USB接口有問(wèn)題。

  ?USB設(shè)備通過(guò)4線電纜接入主機(jī)或USB Hub，這4線分別是：V_CC（總線電源），GND（地線），D+和D-（數(shù)據(jù)線）。主機(jī)通過(guò)D+和D-上的電壓變化來(lái)檢測(cè)到設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有設(shè)備連接到USB端口時(shí)，?D+?和D-線上的下拉電阻就將2條數(shù)據(jù)線拉到近地，當(dāng)檢測(cè)到任一條數(shù)據(jù)線電壓接近V_CC?，而其他保持近地電壓，那么主機(jī)就知道該設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好了。

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       主機(jī)通過(guò)檢測(cè)是哪一條數(shù)據(jù)線電壓變高來(lái)確定設(shè)備是全速或低速，當(dāng)D+數(shù)據(jù)線高時(shí)，就為全速；當(dāng)D-數(shù)據(jù)線低時(shí)，就為低速。PDIUSBBD12的全速模式通過(guò)軟連接（SoftConnect^TM）在D+上接１個(gè)1.5kΩ的上拉電阻。

3固件設(shè)計(jì)
  ?當(dāng)設(shè)備連接到主機(jī)以后，主機(jī)通過(guò)給PDIUSBD12的端點(diǎn)0發(fā)送包含標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求的控制傳輸（即Setup包），PDIUSBD12產(chǎn)生一個(gè)中斷給MCU（INT0），MCU通過(guò)讀PDIUSBD12的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態(tài)寄存器來(lái)對(duì)每一個(gè)請(qǐng)求作出響應(yīng)，并通過(guò)PDIUSBD12的端點(diǎn)0回送請(qǐng)求信息。主機(jī)從返回的信息中讀取描述數(shù)據(jù)，分配和載入一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。設(shè)備被配置好后，就可以使用配置中支持的端點(diǎn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。這一部分工作由MCU來(lái)控制完成，并且該控制程序需要固化在ADuC812的內(nèi)部ROM中，稱(chēng)之為固件（firmware）。

    PDIUSBD12的端點(diǎn)0有3個(gè)狀態(tài)，其變化關(guān)系如圖3所示，固件程序必須利用這3種狀態(tài)關(guān)系來(lái)正確地處理控制傳輸。把主機(jī)通過(guò)PDIUSBD12的端點(diǎn)0給設(shè)備發(fā)USB請(qǐng)求設(shè)為OUTs，通過(guò)端點(diǎn)0接收數(shù)據(jù)設(shè)為INs。MCU處理來(lái)自主機(jī)的Setup包（Control Out）的軟件流程圖如圖4所示，MCU通過(guò)PDIUSBD12的控制端點(diǎn)0給主機(jī)發(fā)送描述符數(shù)據(jù)（Control In）的軟件流程圖如圖5所示。PDIUSBD12的描述符數(shù)據(jù)必須嚴(yán)格遵循USB 1.1協(xié)議第九章（Chap9）的規(guī)定，描述符數(shù)據(jù)包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符。

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    完成PDIUSBD12的固件（Firmware）程序后，在USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)中筆者使用了Jungo公司的WinDriver 5.03，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)使用的是VC 6.0。

4結(jié)語(yǔ)
  ?該USB接口適合于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)，他也為便攜式系統(tǒng)提供了方便、快捷和可靠的接口解決方案。目前，USB已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在PC的外設(shè)上，特別是USB 2.0協(xié)議推出后，數(shù)據(jù)傳輸能力和速度大大提高，使得USB數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)完成大容量的圖像傳輸。此外，USB的突出特點(diǎn)使得他必將在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］Universal erial Bus specification compaq. Intel,Microsoft,NEC Revision 1.1 September 23,1998
［2］Jan Axelson(美).USB大全［M].陳逸，等譯.北京：中國(guó)電力出版社, 2001
［3］Don Anderson(美).USB系統(tǒng)體系［M］.精英科技譯?北京：中國(guó)電力出版社，2001
［4］劉書(shū)明，馮小平.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片AduC812原理與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2000