USB接口技術(shù)分析及電路設(shè)計

　　4、應(yīng)用：帶DMA視頻信號接口功能的USB接口電路設(shè)計

　　目前，市場上提供的USB接口電路板很多，但大部分僅使用普通的工作模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數(shù)字?jǐn)z像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設(shè)計開發(fā)。

　　所謂的DMA傳送方式，全名叫直接存儲器存取(Direct Memory Access)數(shù)據(jù)傳送方式，是指采用專門的硬件(DMA控制器)來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器可以從CPU那里接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，并且由本身發(fā)出存儲器地址信號以及訪問存儲器和I/O設(shè)備的讀/寫脈沖等控制信號，使得數(shù)據(jù)通過總線，直接在存儲器和I/O設(shè)備之間(或I/O設(shè)備與存儲器之間，存儲器與存儲器之間)進行傳送。在DMA接管總線執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送過程中，CPU暫停工作。

　　由于DMA傳送方式僅僅在需要占用總線傳送數(shù)據(jù)時才暫停CPU的操作，CPU的工作效率極高，傳輸數(shù)據(jù)可由硬件自身控制，大大提高了傳送速率，十分適合于高速數(shù)據(jù)的采集。

　　下面就介紹一下我們利用51單片機結(jié)合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設(shè)計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸?shù)亩喙δ躑SB接口電路。

　　4.1 系統(tǒng)概況

　　該系統(tǒng)主要實現(xiàn)USB的接口功能，通過它，外設(shè)與計算機之間可以實現(xiàn)USB方式的連接。外設(shè)接口1用于DMA方式數(shù)據(jù)的傳送，可與CCD攝像頭等設(shè)備相連。外設(shè)接口2采用了標(biāo)準(zhǔn)的IDE接口方式，可直接于硬盤等大容量存儲器相連，傳輸海量數(shù)據(jù)，也可以通過接口轉(zhuǎn)換，與其他功能的外設(shè)相連，具有較廣的適用性。

　　下面說明了此多功能USB接口電路的框圖：

　　這個框圖顯示了兩種接口方案：普通模式和DMA模式。

　　(1)方案一：普通模式

　　圖4-2是該USB接口電路普通模式的框圖，該框圖說明了連接外設(shè)的一種簡單模式，所有寄存器和數(shù)據(jù)的讀寫都是通過8051 的I/O 來仿真的，因此數(shù)據(jù)吞吐速率較低，適合間歇式數(shù)據(jù)的傳送。

　　(2)方案二：DMA模式

　　數(shù)據(jù)傳送以DMA方式，直接由D12傳送到計算機里，MCU只完成DMA的初始化工作，傳輸速度快，適合于視頻數(shù)字信號等高速實時傳送。

　　系統(tǒng)詳細(xì)的電原理圖和電路板結(jié)構(gòu)圖參見附錄。

　　4.2 系統(tǒng)主要部件及電路

　　該系統(tǒng)主要由89C51控制電路、PDIUSBD12 接口電路、數(shù)據(jù)選擇電路、串并轉(zhuǎn)換電路、掛起復(fù)位電路、IDE擴展接口電路等組成，下面分述各部分的功能和特點。

　　4.2.1 89C51控制電路

　　89C51是該接口電路的控制核心，其中P0,P2口用做16位數(shù)據(jù)I/O口，P1,P3口用做控制。

　　89C51的晶振頻率為24MHz,每個機器周期為0.5us.

　　4.2.2 PDIUSBD12 接口電路

　　PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統(tǒng)并與微控制器通過高速通用并行接口進行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現(xiàn)一個 USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和成本，是開發(fā)低成本且高效的USB外圍設(shè)備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規(guī)范，也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等，因此，PDIUSBD12 非常適合做很多外圍設(shè)備，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器( Zip驅(qū)動器)和數(shù)碼相機等?，F(xiàn)在用SCSI實現(xiàn)的很多設(shè)備如果用 USB來實現(xiàn)可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12掛起時的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI 、OnNOW和USB電源管理設(shè)備的要求。低功耗工作允許實現(xiàn)總線供電的外圍設(shè)備。

　　PDIUSBD12還集成了像SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統(tǒng)實現(xiàn)時節(jié)省成本，同時在外圍設(shè)備上很容易實現(xiàn)更高級的 USB功能。

　　(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　① 模擬收發(fā)器。集成的收發(fā)器直接通過終端電阻與USB電纜接口。

　?、?電壓調(diào)整器。片上集成的1個3.3 V電壓調(diào)整器為模擬收發(fā)器供電，也提供連接到外部1.5 kΩ上拉電阻的輸出電壓。作為選擇，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉電阻的SoftConnect技術(shù)。

　?、?PLL。片上集成1個6~48 MHz的倍頻PLL(鎖相環(huán))，允許使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低頻晶振而減小。PLL的工作不需要外部器件。

　?、?位時鐘恢復(fù)。位時鐘恢復(fù)電路用4倍過采樣原理從輸入的USB 數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時鐘，能跟蹤USB規(guī)范中指出的信號抖動和頻率漂移。

　?、?PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實現(xiàn)USB協(xié)議層?？紤]到速度，它是全硬件的， 不需要固件(微程序)介入。這個模塊的功能包括：同步模式識別、并 /串轉(zhuǎn)換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認(rèn)、地址識別以及握手鑒定。

　?、?SoftConnect。高速設(shè)備與USB的連接是靠把D+通過1個1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來建立的。在PDIUSBD12中，這個上拉電阻是集成在芯片 內(nèi)的，缺省是沒有連接到VDD，這個連接是靠外部 MCU發(fā)一個命令來建立的。這使得系統(tǒng)微處理器可以在決定建立 USB連接之前完成初始化。重新初始化USB總線連接也可以不用拔掉電纜來完成。

　?、?GoodLink。GoodLink是靠一個引腳接發(fā)光二極管實現(xiàn)的。在 USB設(shè)備枚舉時LED指示燈將立即閃亮;當(dāng)PDIUSBD12被成功枚舉并配置時， LED指示燈將會始終亮;經(jīng)過PDIUSBD12的USB數(shù)據(jù)傳輸過程中， LED將一閃一閃，傳輸成功后LED熄滅;在掛起期間，LED熄滅。這種特性可以使我們知道 PDIUSBD12的狀態(tài)，方便電路調(diào)試。?、?存儲器管理單元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能緩沖USB(工作在 12Mb/s)數(shù)據(jù)傳輸和微控制器之間并行接口之間的速度差異，這允 許微控制器以自己的速度讀寫USB包。

　　⑨ 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接與主微控制器接口。對于微控制器，PDIUSBD12可以看成是一個有8位數(shù)據(jù)總線和1位地址線的存儲設(shè)備。 PDIUSBD12支持多路復(fù)用和非多路復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線。在主端點(端點 2)和局部共享存儲器之間也可使用DMA(直接存儲器存取)傳輸。它支持單周期模式和塊傳送模式 兩種DMA傳輸。

　　(2)PDIUSBD12引腳說明

　　(3)PDIUSBD12的典型連接

　　PDIUSBD12與80C51的連接電路如 圖4-6 所示。在這個例子中， ALE始終接低電平，說明采用單獨地址和數(shù)據(jù)總線配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳，控制是命令還是數(shù)據(jù)輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連接，CLKOUT 時鐘輸出為80C51提供時鐘輸入。

　　(4)PDIUSBD12的DMA 傳輸

　　直接存儲器尋址 允許在主端點和本地共享存儲器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的有效傳輸.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端點和本地共享存儲器間的數(shù)據(jù)傳輸可自主進行而不需要本地CPU 的干預(yù).要處理任何DMA傳輸,本地CPU 從主機接收必要的建立信息并對DMA控制器進行相應(yīng)的編程.典型的對DMA控制器的傳輸模式、字節(jié)計數(shù)寄存器和地址計數(shù)器進行正確的編程。在該模式下， PDIUSBD12 發(fā)出請求時開始傳輸，當(dāng)字節(jié)計數(shù)器減少為零時終止。在DMA 控制器編程之后，本地CPU 在初始化傳輸時將PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。