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

作者：時(shí)間：2012-01-31 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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1引言

隨著計(jì)算機(jī)微處理器芯片性能的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸在各種領(lǐng)域中廣泛使用，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)本身軟硬件資源的嚴(yán)重不足。為節(jié)省計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，USB接口應(yīng)運(yùn)而生。

USB在誕生之初便面對(duì)許多已趨成熟

的計(jì)算機(jī)接口的挑戰(zhàn)，這既要求它有對(duì)于其他接口的明顯優(yōu)勢(shì)，并不斷完善，才可能被廣大用戶(hù)接受。表1[1]是USB和其他常見(jiàn)總線(xiàn)在幾個(gè)參數(shù)上的比較。

表1 USB及其他常用總線(xiàn)的比較

USB的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）速度快。高速模式速率為12Mbps，低速模式速率也可達(dá)到1.5Mbps。USB2.0理論上傳輸率可以達(dá)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(duì)其進(jìn)行自動(dòng)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(wèn)題。

（3）易于擴(kuò)展。用USB連接的外圍設(shè)備數(shù)目最多達(dá)127個(gè)，通過(guò)集線(xiàn)器可以使外設(shè)距離達(dá)到12米。

（4）總線(xiàn)供電。USB總線(xiàn)提供最大達(dá)5V，500mA電流，對(duì)于功耗較小的設(shè)備來(lái)說(shuō)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(jià)格便宜。實(shí)現(xiàn)USB功能的模塊具有低廉的價(jià)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(fù)用、非多路復(fù)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(lèi)型。PDIUSBD12需要外接微控制器（MCU）來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換，它對(duì)MCU沒(méi)有特殊的要求，因此設(shè)計(jì)者可以選擇適合類(lèi)型的MCU對(duì)芯片進(jìn)行控制，也可以利用Philips公司的固件結(jié)構(gòu)來(lái)做開(kāi)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(guò)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(huì)相應(yīng)降低。

位時(shí)鐘恢復(fù)電路將時(shí)鐘從USB數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出來(lái)，還可以對(duì)頻率漂移和信號(hào)抖動(dòng)進(jìn)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(shí)別、并行/串行轉(zhuǎn)換、CRC檢測(cè)/產(chǎn)生、PID確認(rèn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別以及握手評(píng)定/產(chǎn)生。

SoftConnect(軟連接)可通過(guò)MCU將指令發(fā)到D+(全速設(shè)備)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PDIUSBD12的初始化在MCU發(fā)命令之前完成。下一次連接無(wú)需拔出USB線(xiàn)就可完成。

對(duì)MCU來(lái)說(shuō)，PDIUSBD12是一個(gè)有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和1位地址線(xiàn)的存儲(chǔ)設(shè)備，它支持地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用、非地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用以及DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。

當(dāng)外設(shè)經(jīng)PDIUSBD12連接到集線(xiàn)器后，集線(xiàn)器就會(huì)檢測(cè)外設(shè)的連接狀態(tài)并向主機(jī)報(bào)告。一旦發(fā)現(xiàn)有設(shè)備連接，主機(jī)就發(fā)送一系列請(qǐng)求給集線(xiàn)器,使得集線(xiàn)器在主機(jī)和設(shè)備之間建立一個(gè)通信通道。然后主機(jī)開(kāi)始列舉設(shè)備，列舉成功后，主機(jī)即可從外設(shè)獲得相關(guān)的配置信息對(duì)外設(shè)進(jìn)行配置。只有經(jīng)過(guò)配置以后的外設(shè)才能被主機(jī)識(shí)別，并能和主機(jī)進(jìn)行通信。

3 硬件設(shè)計(jì)

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(dú)立的地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)方式和復(fù)用的地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)方式。由于PDIUSBD12既要接受來(lái)自89C52的命令又要和89C52進(jìn)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(duì)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(xiě)的是數(shù)據(jù)，將它與89C52的一個(gè)IO口相連。在發(fā)送命令（數(shù)據(jù)）前先對(duì)A0進(jìn)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(xiàn)上。此時(shí)，D12的ALE腳未使用，可直接接地。而我們?cè)诖颂幨鞘褂玫诙N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(shí)際意義。對(duì)偶數(shù)地址賦值表示送往D12的是讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，對(duì)奇數(shù)地址賦值表示往D12寫(xiě)入一個(gè)命令。這種接法中，D12的ALE與89C52的ALE相連，ALE的時(shí)序關(guān)系與89C52跟一般存儲(chǔ)器相連相同，在下降沿對(duì)地址鎖存。此時(shí)，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(xiàn)相連，作為并行數(shù)據(jù)和命令傳輸通道。它的時(shí)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(jī)采集外界模擬量，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)PDIUSBD12通過(guò)USB接口傳送給PC機(jī)。這其中主要的難點(diǎn)是89C52和PDIUSBD12之間的通信問(wèn)題，所以我們把主要精力集中在USB協(xié)議這一部分上，重點(diǎn)調(diào)通它們之間的通信。

4 軟件設(shè) 計(jì)

4.1固件設(shè)計(jì)[3][4]

USB單片機(jī)固件程序通常由三部分組成：第一、初始化單片機(jī)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(jī)開(kāi)始的，這樣單片機(jī)作它的前臺(tái)工作，等待中斷。主機(jī)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(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)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(lèi)型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，因此USB單片機(jī)程序主要就是中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)。在 USB單片機(jī)程序中要完成對(duì)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(jī)與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)各個(gè)命令，以后直接調(diào)用函數(shù)即可。

在編寫(xiě)USB的單片機(jī)固件程序時(shí)，需要注意：

單片機(jī)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(biāo)志。這樣PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平，這一點(diǎn)非常重要。

4.2驅(qū)動(dòng)程序[4]

盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開(kāi)發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來(lái)實(shí)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(dòng)程序。作為WIN98和WIN2K推薦的一項(xiàng)新技術(shù)來(lái)說(shuō)，USB的驅(qū)動(dòng)程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驅(qū)動(dòng)程序不同。它是WDM類(lèi)型的。

在調(diào)試USB設(shè)備時(shí)，可使用UsbView程序檢測(cè)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(diǎn)描述符是否正確，之后可以使用Driver Wizard生成一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序，在Windows提示安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，選擇Driver Wizard生成的驅(qū)動(dòng)程序。其實(shí)Driver Wizard生成的僅是一個(gè)Windows控制臺(tái)的應(yīng)用程序，它會(huì)調(diào)用安裝Driver Wizard時(shí)安裝在系統(tǒng)中的通用USB驅(qū)動(dòng)程序。使用該程序就可測(cè)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(mǎn)足要求，也可用WDM重新編制驅(qū)動(dòng)程序，用調(diào)試好的USB設(shè)備來(lái)開(kāi)發(fā)、調(diào)試主機(jī)軟件。

4.3用戶(hù)程序

用戶(hù)程序是系統(tǒng)與用戶(hù)的接口，它通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。主機(jī)用戶(hù)程序的編寫(xiě)使用VC編譯環(huán)境下的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。程序中主要用到兩個(gè)API函數(shù)：CreateFile( )和DeviceIoControl( )。首先查找設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備的句柄：調(diào)用Win32函數(shù)CreatFile( )得到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄。然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作：調(diào)用Win32函數(shù)DeviceIoControl()通過(guò)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(dòng)程序。最后關(guān)閉設(shè)備句柄：當(dāng)退出用戶(hù)程序時(shí)，用CloseHandle ( )關(guān)閉設(shè)備。

4.4軟件設(shè)計(jì)框圖及主要程序框架