基于P89C61x2和ISP1581的USB接口電路的設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要介紹了采用P89C61x2、ISP1581芯片設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)USB接口的方法，闡述了硬件、軟件、應(yīng)用程序等的設(shè)計(jì)流程，在試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與設(shè)備之間簡(jiǎn)單、可靠的連接和通信。
關(guān)鍵詞：USB；接口芯片；固件

本文主要針對(duì)傳統(tǒng)儀器的并行接口設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的接口電路。

主要芯片介紹
本設(shè)計(jì)采用控制芯片P89C61x2和接口芯片ISP1581實(shí)現(xiàn)USB接口電路的設(shè)計(jì)。
P89C61x2包含1024B RAM、64KB Flash存儲(chǔ)器、32個(gè)I/O口、3個(gè)16位定位/計(jì)數(shù)器、6個(gè)中斷源-4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)-嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)增強(qiáng)型UART、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，器件的靜態(tài)設(shè)計(jì)使其具有非常寬的頻率范圍，可選擇1MHz~12MHz的晶體振蕩器。具有兩個(gè)軟件可選的節(jié)電模式-空閑模式和掉電模式。

USB接口芯片ISP1581是一種價(jià)格低、功能強(qiáng)的USB接口器件，符合USB2.0規(guī)范，并為基于微控制器或微處理器的系統(tǒng)提供了高速USB通信能力；具有7個(gè)IN端點(diǎn)，7個(gè)OUT端點(diǎn)和1個(gè)固定的控制IN/OUT端點(diǎn)；可以通過軟件控制與USB總線的連接；內(nèi)部集成了帶PLL的12MHz晶體振蕩器；可通過內(nèi)部上電復(fù)位、低電壓復(fù)位電路和軟件復(fù)位。
　
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的連接框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)的連接框圖

ISP1581有兩種工作模式：通用處理器工作模式和斷開總線工作模式。本文的硬件設(shè)計(jì)中通過設(shè)置BUS-CONF=0實(shí)現(xiàn)斷開總線的工作模式。AD[7:0]為8位的多路復(fù)用地址/數(shù)據(jù)，與單片機(jī)的P0口連接；DATA[15:0]為16位的數(shù)據(jù)總線。MODE0接高電平，表示讀或?qū)懶盘?hào)工作在8051類型；ALE與單片機(jī)的ALE相連，實(shí)現(xiàn)地址鎖存； RPU為USB D+線的外部上拉電阻連接端，通過一個(gè)1.5kW電阻與Vcc(3.3V)相連；RREF連接外部偏置電阻，通過一個(gè)12.0kW電阻同地端相連，使高速收發(fā)器得到一個(gè)精確的鏡電源。為了實(shí)現(xiàn)良好的EMC特性，所有的電源引腳均連接到由0.01mF和0.1mF電容并聯(lián)后的網(wǎng)絡(luò)中。

系統(tǒng)的固件設(shè)計(jì)
單片機(jī)的固件是USB設(shè)備運(yùn)行的核心。主要包括以下幾個(gè)部分：
Kernel.c： 循環(huán)掃描USB事件；啟動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)的工作；
Isr.c： 中斷服務(wù)程序；
Chap9.c：包含標(biāo)準(zhǔn)USB命令，用于在設(shè)備和主機(jī)之間建立一個(gè)基本連接；
Vendor.c：包含廠商定義命令，處理廠商請(qǐng)求；
Init.c：初始化單片機(jī)和ISP1581芯片。

初始化程序主要初始化各種狀態(tài)變量，包括單片機(jī)的初始化以及設(shè)置ISP1581寄存器。主要包括地址寄存器、模式寄存器、中斷配置寄存器,中斷使能寄存器 以及端點(diǎn)寄存器等。

USB設(shè)備采用控制傳輸完成枚舉，從而判斷出設(shè)備的狀況。

數(shù)據(jù)傳輸過程采用中斷方式，單片機(jī)通過讀取中斷寄存器的狀態(tài)判斷中斷源，并進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。ISP1581主要有SETUP中斷、總線掛起中斷以及端點(diǎn)輸入/輸出中斷等，控制端點(diǎn)設(shè)置64B的緩沖區(qū)，每次只能傳輸64B，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量由單片機(jī)控制。若傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)大于64B，將先傳輸64B，然后判斷剩下的字節(jié)數(shù)，同時(shí)確定是否為空包或短包。如果沒有數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，將發(fā)送一個(gè)空包表明數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

固件主要完成設(shè)備初始化、USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理以及其它應(yīng)用程序如數(shù)據(jù)交換功能。程序采用C51語言編寫，使用Keil公司的uVision2編譯器進(jìn)行編譯。
固件的主循環(huán)流程見圖2。

圖2 固件程序流程圖

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，可采用Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作為開發(fā)環(huán)境。為了方便用戶開發(fā)USB接口，在DP-1581的開發(fā)包中提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序，該程序可不加修改，直接使用。在本電路設(shè)計(jì)中，采用的是開發(fā)版自帶的驅(qū)動(dòng)程序。

結(jié)語
本系統(tǒng)將原有的并口改進(jìn)為USB接口，支持即插即用和熱插拔。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
1 周立功.USB2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南.北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2004
2 蕭世文.USB2.0硬件設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2002