基于PDIUSBD12的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1引 言

隨著計算機微處理器芯片性能的高速發(fā)展，計算機逐漸在各種領(lǐng)域中廣泛使用，但隨之而來的問題是計算機本身軟硬件資源的嚴重不足。為節(jié)省計算機的軟硬件資源，USB接口應(yīng)運而生。

USB在誕生之初便面對許多已趨成熟

的計算機接口的挑戰(zhàn)，這既要求它有對于其他接口的明顯優(yōu)勢，并不斷完善，才可能被廣大用戶接受。表1[1]是USB和其他常見總線在幾個參數(shù)上的比較。

表1 USB及其他常用總線的比較

USB的優(yōu)勢特點：

（1）速度快。高速模式速率為12Mbps，低速模式速率也可達到1.5Mbps。USB2.0理論上傳輸率可以達到480Mbps。

（2）安裝配置容易。USB設(shè)備支持即插即用，支持熱拔插。系統(tǒng)對其進行自動配置，不占用中斷資源或者DMA資源。USB為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了插槽緊張問題。

（3）易于擴展。用USB連接的外圍設(shè)備數(shù)目最多達127個，通過集線器可以使外設(shè)距離達到12米。

（4）總線供電。USB總線提供最大達5V，500mA電流，對于功耗較小的設(shè)備來說這是非常有效的。

（5）使用靈活。USB共有4種傳輸模式以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

（6）價格便宜。實現(xiàn)USB功能的模塊具有低廉的價格。

2 接口芯片PDIUSBD12[2]介紹

PDIUSBD12是Philips公司推出的一種并行接口芯片，它支持多路復用、非多路復用和DMA并行傳輸。芯片遵循協(xié)議USB1.1，支持不同用途的傳輸類型。PDIUSBD12需要外接微控制器（MCU）來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，它對MCU沒有特殊的要求，因此設(shè)計者可以選擇適合類型的MCU對芯片進行控制，也可以利用Philips公司的固件結(jié)構(gòu)來做開發(fā)。

圖1 PDIUSBD12內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PIDUSBD12內(nèi)部含有集成收發(fā)器接口，可通過端口電阻直接連接到USB通信電纜。PDIUSBD12片內(nèi)集成有3.3V調(diào)節(jié)器，可給收發(fā)器提供電源。該電壓可以外接1.5kΩ的上拉電阻作為輸出，也可以連接內(nèi)部集成的1.5kΩ的上拉電阻作為SoftConnectTM的內(nèi)部電源；由于片內(nèi)集成了6～48MHz 倍頻PLL，因此只需外接低頻晶振就可工作，EMI會相應(yīng)降低。

位時鐘恢復電路將時鐘從USB數(shù)據(jù)流中恢復出來，還可以對頻率漂移和信號抖動進行跟蹤。

SIE(串行接口引擎)能完整地執(zhí)行USB協(xié)議，它已經(jīng)被完全固化在芯片內(nèi)部，因此不需要任何固件干涉。這一部分包括同步識別、并行/串行轉(zhuǎn)換、CRC檢測/產(chǎn)生、PID確認/產(chǎn)生、地址識別以及握手評定/產(chǎn)生。

SoftConnect(軟連接)可通過MCU將指令發(fā)到D+(全速設(shè)備)來實現(xiàn)。PDIUSBD12的初始化在MCU發(fā)命令之前完成。下一次連接無需拔出USB線就可完成。

對MCU來說，PDIUSBD12是一個有8位數(shù)據(jù)總線和1位地址線的存儲設(shè)備，它支持地址數(shù)據(jù)總線復用、非地址數(shù)據(jù)總線復用以及DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。

當外設(shè)經(jīng)PDIUSBD12連接到集線器后，集線器就會檢測外設(shè)的連接狀態(tài)并向主機報告。一旦發(fā)現(xiàn)有設(shè)備連接，主機就發(fā)送一系列請求給集線器,使得集線器在主機和設(shè)備之間建立一個通信通道。然后主機開始列舉設(shè)備，列舉成功后，主機即可從外設(shè)獲得相關(guān)的配置信息對外設(shè)進行配置。只有經(jīng)過配置以后的外設(shè)才能被主機識別，并能和主機進行通信。

3 硬 件 設(shè)計

此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。由于USB的協(xié)議框架比較大，所以MCU使用帶有8kEPROM的89C52。USB接口芯片為 PDIUSBD12。89C52和D12的連接有獨立的地址數(shù)據(jù)總線方式和復用的地址數(shù)據(jù)總線方式。由于PDIUSBD12既要接受來自89C52的命令又要和89C52進行通信，而他們使用共同的接口D[0…7]，所以D12地址的含義是對命令和數(shù)據(jù)的選擇。在第一種方式中，用A0腳表示地址位：A0為 1表示命令，A0為0表示讀寫的是數(shù)據(jù)，將它與89C52的一個IO口相連。在發(fā)送命令（數(shù)據(jù)）前先對A0進行置1（0），然后再把命令（數(shù)據(jù)）的內(nèi)容送到數(shù)據(jù)總線上。此時，D12的ALE腳未使用，可直接接地。而我們在此處是使用第二種連接方式，命令和數(shù)據(jù)使用不同的地址，地址字節(jié)中僅LSB位具有實際意義。對偶數(shù)地址賦值表示送往D12的是讀/寫數(shù)據(jù)，對奇數(shù)地址賦值表示往D12寫入一個命令。這種接法中，D12的ALE與89C52的ALE相連，ALE的時序關(guān)系與89C52跟一般存儲器相連相同，在下降沿對地址鎖存。此時，A0不使用，應(yīng)該接高電平。89C52的P0口直接與D12的數(shù)據(jù)總線相連，作為并行數(shù)據(jù)和命令傳輸通道。它的時鐘可以直接從D12的CLKOUT接入，而不需要外接晶振。

圖2 硬件框圖

單片機采集外界模擬量，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過PDIUSBD12通過USB接口傳送給PC機。這其中主要的難點是89C52和PDIUSBD12之間的通信問題，所以我們把主要精力集中在USB協(xié)議這一部分上，重點調(diào)通它們之間的通信。

4 軟 件 設(shè) 計

4.1固件設(shè)計[3][4]

USB單片機固件程序通常由三部分組成：第一、初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD12）；第二、主循環(huán)部分：這部分是可中斷的；第三、中斷服務(wù)程序，可以立即執(zhí)行。根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機開始的，這樣單片機作它的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設(shè)備（這里是PDIUSBD12），PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進入中斷服務(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USB單片機程序主要就是中斷服務(wù)程序的編寫。在 USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應(yīng)，其中比較難處理的是SETUP包，主要是端口0的編程。

單片機與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。 PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，以后直接調(diào)用函數(shù)即可。

在編寫USB的單片機固件程序時，需要注意：

單片機的中斷應(yīng)設(shè)置為電平觸發(fā)；中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器（命令40-45H）,以清除中斷寄存器中的中斷標志。這樣PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平，這一點非常重要。

4.2驅(qū)動程序[4]

盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標準接口函數(shù)，但編制驅(qū)動程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來實現(xiàn)。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，像 Compuware的driver works，Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內(nèi)生成高質(zhì)量的USB 的驅(qū)動程序。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術(shù)來說，USB的驅(qū)動程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驅(qū)動程序不同。它是WDM類型的。

在調(diào)試USB設(shè)備時，可使用UsbView程序檢測設(shè)備是否能被Windows枚舉并配置，如果成功，還可在該程序中查看設(shè)備描述符、配置描述符和端點描述符是否正確，之后可以使用Driver Wizard生成一個通用驅(qū)動程序，在Windows提示安裝驅(qū)動程序時，選擇Driver Wizard生成的驅(qū)動程序。其實Driver Wizard生成的僅是一個Windows控制臺的應(yīng)用程序，它會調(diào)用安裝Driver Wizard時安裝在系統(tǒng)中的通用USB驅(qū)動程序。使用該程序就可測試設(shè)備是否能夠正確傳輸數(shù)據(jù)以及傳輸速度。該程序也可作為最終產(chǎn)品USB傳輸部分的框架；如果不能滿足要求，也可用WDM重新編制驅(qū)動程序，用調(diào)試好的USB設(shè)備來開發(fā)、調(diào)試主機軟件。

4.3用戶程序

用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過通用驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信。主機用戶程序的編寫使用VC編譯環(huán)境下的API函數(shù)實現(xiàn)。程序中主要用到兩個API函數(shù)：CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設(shè)備，打開設(shè)備的句柄：調(diào)用Win32函數(shù)CreatFile( )得到設(shè)備驅(qū)動程序的句柄。然后進行讀寫和控制操作：調(diào)用Win32函數(shù)DeviceIoControl()通過得到的句柄把IOControlCode 和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動程序。最后關(guān)閉設(shè)備句柄：當退出用戶程序時，用CloseHandle ( )關(guān)閉設(shè)備。

4.4軟件設(shè)計框圖及主要程序框架

圖3 固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向

這里只給出主循環(huán)程序和中斷程序的主要框架：

void main (void)

{

init_port ( ); //初始化I/O口

init_timer0 ( ); //初始化定時器0

init_special_interrupts ( ); //設(shè)置中斷

reconnect_USB( ); //重新連接USB

while ( TRUE )

{

if (bEPPflags.bits.timer)

//定時器溢出,檢測按鍵狀態(tài)

if (bEPPflags.bits.bus_reset)

//總線復位處理

if (bEPPflags.bits.suspend)

//掛起改變處理

{

if(D12SUSPD == 1)

//掛起處理

}

if(bEPPflags.bits.setup_packet)

//Setup包處理

{

control_handler( );

//調(diào)用請求處理子程序

}

}

}

void control_handler( ) //請求處理子程序

{

if (type == USB_STANDARD_REQUEST) //調(diào)用標準請求

( *StandardDeviceRequest [ req ] ) ( );

}

5 總 結(jié)

此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于一種自主開發(fā)的近紅外光譜儀中，它滿足此近紅外光譜儀采集速度快的要求。以上方案為中小型智能儀器和計算機的高速USB連接提供了一種參考。

參 考 文 獻：

[1]邊海龍，賈少華. USB2.0設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2004年1月.

[2]陳軍波，劉海華，陳亞光.USB接口芯片PDIUSBD12及應(yīng)用[J].國外電子元器件，2002第11期.

[3]程 讕，楊子杰. 基于PDIUSBD12的USB設(shè)備的固件程序開發(fā)[J]. 計算機應(yīng)用，2004年第7期.

[4]周立功. PDIUSBD12固件編程與驅(qū)動開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社.2003年2月.