基于USB接口的數(shù)據(jù)通信演示板的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案

前言

在開(kāi)發(fā)USB設(shè)備時(shí)最難的就是固件和驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，要想成功的開(kāi)發(fā)這兩部分必須完全熟悉USB協(xié)議，而這至少需要五到六個(gè)月的時(shí)間。南京沁恒公司的CH371芯片是一塊屏蔽了USB協(xié)議的接口芯片，該芯片固化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和單片機(jī)程序中的協(xié)議處理部分，因此不需要去了解復(fù)雜的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB協(xié)議，大大減少了開(kāi)發(fā)周期，也降低了開(kāi)發(fā)難度。本文介紹的演示板就是基于該公司的CH371和CH451芯片的一個(gè)簡(jiǎn)單USB外設(shè)，通過(guò)這塊演示板，不僅可以了解基于USB接口的基本結(jié)構(gòu)，而且還可以熟悉基于這種接口的PC和單片機(jī)通信的單片機(jī)控制程序和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的編寫(xiě)。 


芯片介紹

USB接口芯片CH371 

CH371是一個(gè)USB 總線的通用接口芯片。在本地端，CH371 具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP、MCU 等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH371 的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫(xiě)硬盤(pán)中的文件。CH371 屏蔽了USB 通訊中的所有協(xié)議，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端控制器之間提供端對(duì)端的連接?；贑H371，不需要了解任何USB 協(xié)議或者固件程序，甚至驅(qū)動(dòng)程序，就可以輕松地將并口、串口的產(chǎn)品升級(jí)到USB 接口。

使用時(shí)，在本地端CH371具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，就像操作一般外設(shè)芯片一樣方便地掛接到DSP、MCU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)端，CH371的配套軟件包括通用驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用軟件包，提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口。 

根據(jù)不同的工作方式，芯片的接口類(lèi)型可以有以下幾種：被動(dòng)并行接口、I2C主接口、主控方式接口。按照芯片特點(diǎn)，CH371芯片通過(guò)被動(dòng)并行接口與本地端控制器連接，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，如圖1所示。



圖1 單片機(jī)、CH371芯片以及PC連接示意圖 

鍵盤(pán)控制和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片CH451

CH451 是一個(gè)多功能外圍芯片，通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的4 線串行接口與單片機(jī)、DSP、微處理器等控制器交換數(shù)據(jù)。CH451 包含三個(gè)功能：數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)掃描控制、 P 監(jiān)控，三個(gè)功能之間相互獨(dú)立，控制器可以通過(guò)操作命令分別啟用、關(guān)閉、設(shè)定CH451 的任何一個(gè)功能。CH451 的串行接口是由硬件實(shí)現(xiàn)的，控制器可以頻繁地通過(guò)串行接口進(jìn)行高速操作。CH451主要功能包括動(dòng)態(tài)掃描功能和鍵盤(pán)掃描功能。

在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層，通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)演示CH451的各種功能。應(yīng)用程序把控制命令通過(guò)CH371傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到命令后再來(lái)控制CH451。CH451通過(guò)四線串行接口與單片機(jī)連接，如圖2所示。



圖2 單片機(jī)、CH451芯片和鍵盤(pán)、數(shù)碼管的連接示意圖 

USB設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程描述

USB即插即用的自動(dòng)配置過(guò)程是由CH371 芯片和驅(qū)動(dòng)程序共同完成的。將帶有CH371芯片的USB產(chǎn)品插入到計(jì)算機(jī)的USB插槽中，當(dāng)PC機(jī)檢測(cè)到USB 插入事件，操作系統(tǒng)有選擇地復(fù)位USB 產(chǎn)品，并讀取USB 產(chǎn)品的設(shè)備描述符，在CH371 芯片返回設(shè)備描述符后，操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備描述符加載CH371 驅(qū)動(dòng)程序；CH371 驅(qū)動(dòng)程序讀取CH371 芯片的設(shè)備描述符和配置描述符；在CH371 芯片返回設(shè)備描述符和配置描述符之后，CH371 驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)配置描述符請(qǐng)求操作系統(tǒng)對(duì)CH371 芯片進(jìn)行配置。在完成配置后，PC機(jī)給CH371 芯片分配一個(gè)USB 設(shè)備地址，并指定一個(gè)USB 配置。以上是CH371 芯片的自動(dòng)配置過(guò)程，在完成自動(dòng)配置后，CH371 驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用層開(kāi)放操作接口。

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是USB 產(chǎn)品的應(yīng)用層軟件與USB 產(chǎn)品的控制器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程。首先計(jì)算機(jī)應(yīng)用層將數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送給CH371 芯片，CH371 芯片以中斷方式通知本地端控制器，并使之進(jìn)入中斷程序，查看傳輸狀態(tài)信息寄存器中的數(shù)據(jù)傳輸方向標(biāo)志位，如果是上傳，則將上傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器置為15，然后退出中斷程序；如果是下傳，則查看下傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器，從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊，并分析接收到的數(shù)據(jù)塊，將應(yīng)答數(shù)據(jù)和應(yīng)答數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度分別寫(xiě)入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)和上傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器中，然后退出中斷程序。在退出中斷程序之后， CH371 芯片將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)，此時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用層將會(huì)接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。

演示板硬件電路設(shè)計(jì)

本演示板采用USB 總線接口芯片CH371、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)控制芯片CH451和通用的MCS51 系列單片機(jī)構(gòu)成，用于演示CH371 的USB 數(shù)據(jù)通訊功能，CH451 的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)/鍵盤(pán)掃描功能，以及CH371 與單片機(jī)的連接，CH451 與單片機(jī)的連接。演示板通過(guò)USB 接口與PC 機(jī)進(jìn)行通訊，并由PC 機(jī)控制它的執(zhí)行，演示板電路設(shè)計(jì)如圖所3示。


圖3中，元器件說(shuō)明如下：

晶振X1 為標(biāo)準(zhǔn)的12MHz，晶振的金屬外殼應(yīng)該接地，以減少來(lái)自外界的干擾；振蕩電容C1、C2 的容量為20pF（可以在5pF 至30pF 之間選擇）；另外，建議在CH371 的XI引腳（第14 腳）前串接一個(gè)阻值為1K 的電阻（可以在200 至3K 之間選擇），即X1與C2 相連接后通過(guò)1K 電阻連接到CH371 的XI 引腳。

阻抗匹配電阻R1、R2 為100 （可以在80 至150 之間選擇），如果CH371 的工作電壓略低于5V ，則R1、R2 的阻值可以適當(dāng)減少。
U4（單片機(jī)89C51）用于測(cè)試CH371 的USB 數(shù)據(jù)通信功能，本例中CH371 工作于復(fù)用地址方式，U4 的ALE 與CH371 的ALE 相連接，CH371 的INT#與U4 的INT0 相連接，U4通過(guò)CH371 的被動(dòng)并行接口與CH371 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

U3（EEPROM 器件24C02）作為I2C 接口的目標(biāo)設(shè)備，用于測(cè)試CH371 的I2C 接口功能，PC 機(jī)的應(yīng)用層程序可以直接對(duì)該器件進(jìn)行讀寫(xiě)測(cè)試。

L1（發(fā)光二極管LED）用于測(cè)試CH371 的主控方式的功能，即使CH371 不連接任何單片機(jī)（例如在本例中取出單片機(jī)U4），PC 機(jī)的應(yīng)用層程序仍然可以直接控制CH371 的A3引腳輸出低電平或者高電平，從而點(diǎn)亮LED 或者熄滅LED。



圖3 CH371和CH451演示板硬件電路圖 

跳線J1 用于測(cè)試CH371的片選線CS#的兩種用法，在本例中單片機(jī)沒(méi)有其它外圍器件，所以CS#引腳可以懸空，作為默認(rèn)選擇，如果單片機(jī)還有其它并行接口的外圍器件，則CS#應(yīng)該作為片選控制線，例如由單片機(jī)的地址線A15 驅(qū)動(dòng)，從而將CH371 定位于單片機(jī)U4 的0000H-7FFFH 地址空間。

跳線J3 用于測(cè)試CH371 的USB 帶電下線功能，當(dāng)單片機(jī)U4 的P1.4 引腳輸出高電平時(shí)，可以控制CH371 模擬從USB 總線上斷開(kāi)，當(dāng)單片機(jī)U4 的P1.4 引腳輸出低電平時(shí)，可以控制CH371 模擬連接到USB 總線。
跳線J2 用于選擇單片機(jī)U4 上電復(fù)位信號(hào)的來(lái)源，CH371 和CH451 都具有上電復(fù)位和看門(mén)狗功能，由J2 可以分別測(cè)試兩個(gè)芯片的上電復(fù)位功能。電阻R4 用于調(diào)節(jié)CH451的上電復(fù)位門(mén)限，阻值為200K 時(shí)上電復(fù)位門(mén)限約為4V，測(cè)試時(shí)請(qǐng)注意防止干擾。

電阻R5 為數(shù)碼管的限流電阻，阻值可以在60 至500 之間選擇，阻值為200 時(shí)限定段電流為13mA 左右；電阻R6 為按鍵掃描的限流電阻，阻值可以在1K 至10K 之間選擇，本例中為2K ，如果不使用CH451 的按鍵掃描功能，則電阻R6 可以省去。

CH451的SEG0~SEG7引腳和DIG0~ DIG7引腳相互配合，可以最大擴(kuò)展8個(gè)共陰數(shù)碼管和64個(gè)輕觸按鈕。這部分?jǐn)U展電路比較容易，由于版面所限，以上電路圖省去了這部分。 程序的軟件設(shè)計(jì)一般USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)，USB接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序開(kāi)發(fā)，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，主機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。由于CH371接口芯片固化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和單片機(jī)程序中的協(xié)議處理部分，因此軟件設(shè)計(jì)僅僅包括兩部分，即單片機(jī)中的數(shù)據(jù)交換部分和主機(jī)的應(yīng)用程序。


單片機(jī)控制程序

應(yīng)用程序和單片機(jī)控制程序之間有這樣的協(xié)議約定：應(yīng)用程序發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)中的第一個(gè)字節(jié)是命令，單片機(jī)接收到PC發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，先對(duì)第一個(gè)字節(jié)做出響應(yīng)，根據(jù)命令的不同進(jìn)入不同的子程序。例如：定義DEMOTESTDATA EQU 90H，這表示90H這個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)代表測(cè)試命令，當(dāng)單片機(jī)接收到來(lái)自PC的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)是90H時(shí)，就會(huì)進(jìn)入將PC 發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)取反的子程序，并將取反后的數(shù)據(jù)返回。

在整個(gè)方案中單片機(jī)控制程序的作用主要有：(1)當(dāng)評(píng)估板上的按鍵按下時(shí)，CH451通過(guò)中斷通知單片機(jī)，然后單片機(jī)從CH451的緩沖區(qū)中讀取鍵碼值，單片機(jī)再通過(guò)中斷通知PC機(jī)，PC進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序進(jìn)行處理；2)當(dāng)PC發(fā)送命令時(shí)，CH371通過(guò)中斷通知單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)該命令做出響應(yīng)，或控制CH451，或返回應(yīng)答數(shù)據(jù)，流程圖如圖4所示。



圖4 單片機(jī)控制程序流程圖 

PC端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制程序編寫(xiě)的可行性，需要在PC端用VB編寫(xiě)一個(gè)測(cè)試程序，用以測(cè)試硬件電路在數(shù)據(jù)通信方面是否暢通。程序用到了4個(gè)窗體，2個(gè)模塊。其中兩個(gè)模塊主要是定義一些全局變量、函數(shù)，以及API函數(shù)的聲明（因?yàn)檫@些函數(shù)只有在聲明以后才能調(diào)用），設(shè)計(jì)4個(gè)窗體是為了更好地完成演示板的各項(xiàng)功能。

（1）主界面設(shè)計(jì)

演示主界面如圖5所示。



圖5 主界面 

功能說(shuō)明：在電路板上有三個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)這三個(gè)按鍵有三個(gè)不同的演示程序。根據(jù)該界面的提示，每按下一個(gè)按鍵就進(jìn)入相應(yīng)的演示程序，而演示完一個(gè)程序后可以退回該界面進(jìn)行另外演示程序的選擇。 2）同步可調(diào)實(shí)時(shí)時(shí)鐘演示程序

界面設(shè)計(jì)如圖6所示。



圖6 與真實(shí)時(shí)間同步的可調(diào)時(shí)鐘演示界面 

功能說(shuō)明：進(jìn)入該演示程序后，PC會(huì)通過(guò)命令使數(shù)碼管上顯示當(dāng)前時(shí)間，但時(shí)鐘不走動(dòng)。

“啟動(dòng)時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o時(shí)鐘開(kāi)始走動(dòng)。

“校準(zhǔn)時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，文本框下的六個(gè)命令按鈕會(huì)被激活，它們分別對(duì)應(yīng)六個(gè)數(shù)碼管。單擊修改時(shí)間對(duì)應(yīng)的按鈕，會(huì)彈出對(duì)話框，要求輸入要修改的時(shí)間。 

“校時(shí)確定”：當(dāng)時(shí)間校準(zhǔn)好以后，單擊命令按鈕，這時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框提示是否已經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)間，否則可以繼續(xù)修改。若確定以后，時(shí)鐘又可以正常走動(dòng)。 

“返回主窗體”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o回到窗體一，以便繼續(xù)進(jìn)行其他程序的演示。 

（3）CH451各項(xiàng)功能演示程序 
界面設(shè)計(jì)如圖7所示。



圖7 鍵盤(pán)控制和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片CH451各項(xiàng)功能演示界面 

功能說(shuō)明:當(dāng)進(jìn)入該演示程序后，會(huì)自動(dòng)在數(shù)碼管上加在字?jǐn)?shù)據(jù)“HELPHELP”。

“右（左）移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o，數(shù)碼管上的字會(huì)向右（左）移動(dòng)，左（右）邊移出的空位會(huì)加0。

“右（左）循環(huán)移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o會(huì)使數(shù)碼管的數(shù)據(jù)分別向右(左)循環(huán)移位。

“加載字?jǐn)?shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框提示“要加載字?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)單擊相應(yīng)的文本框”。此時(shí)文本框會(huì)被激活，當(dāng)單擊文本框后，會(huì)再次彈出對(duì)話框，要求輸入要加載的字?jǐn)?shù)據(jù)。輸入完并確定后，數(shù)碼管上就會(huì)顯示加載的字?jǐn)?shù)據(jù)了。 “閃爍”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框提示“要是數(shù)碼管閃爍請(qǐng)單擊對(duì)應(yīng)的單選按鈕”，同時(shí)8個(gè)單選按鈕會(huì)被激活。每個(gè)單選按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)碼管，選中相應(yīng)的單選按鈕后，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就會(huì)閃爍。當(dāng)再選中另外的單選按鈕后，前一個(gè)就會(huì)停止閃爍。

“亮度控制按鈕”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，彈出對(duì)話框提示“請(qǐng)單擊相應(yīng)的單選按鈕進(jìn)行亮度的選擇”，同時(shí)，十六個(gè)單選按鈕會(huì)被激活，它們對(duì)應(yīng)控制數(shù)碼管的十六級(jí)亮度顯示，當(dāng)選中第一個(gè)按鈕時(shí)，數(shù)碼管會(huì)變的最暗，當(dāng)依次選中其他的按鈕時(shí)，亮度會(huì)依次遞增。

“DEFAULT”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)回到默認(rèn)狀態(tài)。即：字?jǐn)?shù)據(jù)顯示為“HELPHELP”；閃爍的數(shù)碼管會(huì)停止閃爍；數(shù)碼管的亮度會(huì)變?yōu)?6級(jí)亮度。

“熄滅數(shù)碼管”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，數(shù)碼管會(huì)熄滅。

“退出”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)返回主窗體。


批量數(shù)據(jù)傳輸演示程序

界面設(shè)計(jì)如圖8所示。



圖8 PC和AT89C51之間通過(guò)USB接口芯片CH371的數(shù)據(jù)塊傳輸界面 

功能說(shuō)明：

“發(fā)送數(shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框，首先要求輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，然后會(huì)彈出對(duì)話框要求輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)在文本框中顯示，以便和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，看單片機(jī)是否做出了正確的應(yīng)答。

“接收數(shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，PC會(huì)首先發(fā)送一個(gè)命令給單片機(jī)，要求單片機(jī)對(duì)剛才發(fā)送的命令做出響應(yīng)。單片機(jī)接收到此命令后會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按位取反，然后返回給計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到返回的數(shù)據(jù)后會(huì)在文本框中顯示出來(lái)。

“退出”：?jiǎn)螕粼摪粹o后會(huì)返回主窗體。


程序調(diào)試的體會(huì)

該演示程序最關(guān)鍵的就是要使得PC和單片機(jī)之間能夠通過(guò)CH371接口芯片進(jìn)行通信，這必須用到該公司提供的API函數(shù)。調(diào)試時(shí)需要事先理解這些函數(shù)的作用以及各個(gè)參數(shù)的具體意義。PC的命令和數(shù)據(jù)能夠很容易就傳給單片機(jī)，但單片機(jī)得到的按鍵值卻無(wú)法傳到PC機(jī)。后來(lái)筆者在查閱了一本關(guān)于在Visual Basic中調(diào)用API函數(shù)的書(shū)后終于找到了問(wèn)題的原因所在，通過(guò)修改一下API函數(shù)的中的參數(shù)，終于使得PC和單片機(jī)之間能夠進(jìn)行雙向的通信，這一步成功后其余的調(diào)試就比較容易進(jìn)行了。

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