USB設備開發實例

通用串行總線(Universal Serial Bus USB），是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口比較，USB接口的最大特點是易于使用，這也是USB的主要設計目標。作為一種高速總線接口，USB適用于多種設備，比如數碼相機、MP3播放機、高速數據采集設備等。易于使用還表現在USB接口支持熱插拔，并且所有的配置過程都由系統自動完成，無需用戶干預。

從表1可知，數據傳輸速率高是USB接口的另一特點。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高達480Mb/s(USB 2.0規范)的數據傳輸速率，扣除用于總線狀態、控制和錯誤監測等的數據傳輸，USB的最大理論傳輸速率仍達1.2Mb/s或9.6Mb/s，遠高于一般的串行總線接口。

USB接口芯片價格低廉，一個支持USB 1.1規范的USB接口芯片價格大多在＄1～2之間，跟一個232或485接口芯片價格差不多，這也大大促進USB設備的開發與應用。

在進行一個USB設備開發之前，首先要根據具體使用要求選擇合適的USB控制器。目前，市場上供應的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機（MCU）或純粹的USB接口芯片。

帶USB接口的單片機從應用上又可以分成兩類，一類是從底層設計專用于USB控制的單片機，比如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于價格、開發工具以及單片機性能有限等問題，所以一般不推薦選用。另一類是增加了USB接口的普通單片機，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增強的8051）、Cypress公司的EZ－USB(基于8051），選擇這類USB控制器的最大好處在于開發者對系統結構和指令集非常熟悉，開發工具簡單，但對于簡單或低成本系統，價格高將會是最大的障礙。一般來說，后者的價格是前者價格的10倍。

純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個外部微處理器來進行協議處理和數據交換。典型產品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12(并行接口），NS公司的USBN9603/9604(并行接口），NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產品的改型設計（硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動，軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數據交換程序、PC機的USB接口通信程序，無需對原有產品系統結構作很大的改動）。

在選定USB控制器以后，如果是帶USB接口的單片機，則是一般單片機應用系統的開發；反之，就是如何把USB接口芯片與單片機應用系統融合的問題，一般USB接口芯片都支持多種并行總線結構（復用/非復用），可以方便的與多種單片機接口。硬件設計中要注意的就是USB接口芯片的時鐘速度比較高，如果芯片內部沒有PLL來倍頻，則外部晶體振蕩電路(多數在48MHz)的設計就應該特別注意，包括晶體的選擇(負載電容大?。?、匹配網絡的設計以及PCB布線。

USB設備的軟件設計主要包括兩部分：一是USB設備端的單片機軟件，主要完成USB協議處理與數據交換（多數情況下是一個中斷子程序）以及其它應用功能程序（比如A/D轉換、MP3解碼等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用戶服務程序兩部分組成，用戶服務程序通過USB通信程序與系統USBDI(USB Device Interface）通信，由系統完成USB協議的處理與數據傳輸。PC端程序的開發難度比較大，程序員不僅要熟悉USB協議，還要熟悉Windows體系結構并能熟練運用DDK工具。

USB接口軟件主要完成USB協議的處理和數據的交換，一定要嚴格遵循USB2.0規范第九章的規定(詳見 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 : Chapter 9.USB Device Framework www.usb.org）。

要快捷、成功的開發一個USB設備，正確、合理的調試方法是必不可少的環節。調試基本分三步進行：首先對外部設備（單片機部分）借助PC調試軟件(芯片生產商提供或從網上下載WINRT－USB、Kernel Driver等調試軟件）將設備端的USB協議(主要有描述符請求、端口配置、地址設置以及基本數據交換）調通。然后，用調試好的USB設備接口來開發、調試PC軟件，這一步相對比較容易。最后，加上USB設備端的其它用戶程序，對整個完整的系統進行系統調試。

下面從硬件、軟件兩方面具體介紹作者設計的一個便攜式USB數據采集設備，重點介紹USB接口部分。該數據采集系統以AD公司的帶8通道12位A/D、2路12位D/A的52內核單片機ADuC812作為系統控制器，采用Philips公司的PDIUSBD12作為USB接口芯片。USB接口電路原理圖如圖1所示。由于系統中需要斷電后保存采集數據，擴展了兩片28F040，因此在這里把PDIUSBD12與CPU的接口采用了總線復用方式，通過ALE信號把數據分離出來，并把低64K RAM空間全留給PDIUSBD12(ADuC812的RAM空間有1M，分頁管理，每頁64K，共256頁，對應DPP寄存器值0～255，PDIUSBD12占第0頁，即DPP＝0），地址線A(P2.0）作為PDIUSBD12的指令/數據選擇線，則地址000100H寫指令、000000H讀寫數據；單片機的P3.5口線提供PDIUSBD12的復位信號，接非門是保證單片機復位時PDIUSBD12也復位。PDIUSBD12與單片機的數據交換采用中斷方式（INT0)，實際應用中如果系統中斷資源不夠（特別是系統改型設計時)，也可以接成查詢方式，只是注意查詢間隔不要超過USB接口的最大等待時間(最大500mS)。PDIUSBD12的GOOD-LINK指示燈（LED)在USB通信時會閃爍，常亮或一直不亮說明USB接口有問題，調試時非常有用。PDIUSBD12采用PLL倍頻產生系統時鐘，只需外接低頻晶體，PCB設計比較方便。

單片機軟件設計主要注意以下幾點：

* PDIUSBD12的中斷輸出引腳只要中斷寄存器不為0就保持低電平，所以單片機的對應中斷（INT0)應設置成電平觸發；中斷處理后要用讀上次傳輸狀態寄存器清除中斷寄存器中對應位(D0－D5）。

* PDIUSBD12靠軟件控制USB端口的連接，程序在系統初始化處理完后軟件設置連接到USB端口，然后開中斷。

* PDIUSBD12對內部寄存器的讀寫沒有邊界限制，程序設計中一定不要讀寫超過端點深度的數據。特別對于描述符請求，由于其長度大于Control IN 深度（16 Bytes），要分幾個數據周期傳輸。

* 描述符一定要設置正確，并且注意USB協議中所有字數據均定義為低字節在前傳輸（LSB），例如Phlips的ID為471H，應在iDVendor中定義成71H、04H。

* 在接收到Setup包后，一定要用ACK Setup指令來重新使能Control IN 和Control OUT端點。向IN端點寫數據后，要用Validate Buffer指令使數據可以在下一個IN數據周期發送。從OUT端點讀數據后，要用Clear Buffer指令來清空緩沖區，否則后面OUT周期傳輸的數據將被丟棄（返回NAK）。

*協議的處理一定要按USB規范要求進行，對無效請求，用Set Endpoint Status指令將Control IN和Control OUT端點Stall即可。

PC機軟件作者用VC6.0開發，分USB接口通信程序和應用程序兩部分，其開發以及系統調試過程與前文所述相同，此處不再贅　述?！?/font>