引言

　　USB是近年來應用在PC領域的新型接口技術,是一些PC大廠商,如 Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準,自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各 PC廠家所支持。現在生產的PC幾乎都配備了USB接口,Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。

　　USB的主要優點：

　　①使用方便。連接外設不必再打開機箱;允許外設熱插拔,而不必關閉主機電源。
　　②速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb/s;提供低速方式,速率為1.5 Mb/s。扣除用于總線狀態控制和錯誤檢測等數據傳輸,最大理論速度也能達到1.2 Mb/s和9.6 Mb/s。
　　③連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設備。連接的方式也十分靈活,既可以使用串行連接,也可以使用集線器Hub,把多個設備連接在一起,再同PC機的USB口相接。
　　④獨立供電。USB接口提供了內置電源。

　　現在的USB生產廠商很多,幾乎所有的硬件廠商都有USB 的產品。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU集成在芯片里面的,如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National Semiconductors等公司的產品;另一種就是純粹的USB接口芯片,僅處理 USB通信,如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口）,National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。前一種由于開發時需要單獨的開發系統,因此開發成本較高;而后一種只是一個芯片與MCU接口實現USB通信功能,因此成本較低,而且可靠性高。本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。

1 PDIUSBD12芯片特點和內部結構

　　PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件,通常用于基于微控制器的系統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微控制器,允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發時間、風險和成本, 是開發低成本且高效的USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規范,也能適應大多數設備類規范的設計,如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設備等,因此,PDIUSBD12 非常適合做很多外圍設備,如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器（ Zip驅動器）和數碼相機等。現在用SCSI實現的很多設備如果用 USB來實現可以直接降低成本。

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

　　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實現時節省成本,同時在外圍設備上很容易實現更高級的 USB功能。

1.1 主要特性

　　◇ 符合USB 1.1協議規范;
　　◇ 集成了SIE、FIFO存儲器、收發器和電壓調整器的高性能USB接口芯片;
　　◇ 適應大多數設備類規范的設計;
　　◇ 與任何微控制器/微處理器有高速（2MB/s）的并行接口;
　　◇ 完全自動DMA操作;
　　◇ 集成了320 B的多配置FIFO存儲器;
　　◇ 主端點有雙緩存配置,增加吞吐量,容易實現實時數據傳輸;
　　◇ 在塊傳輸模式下有1MB/s的數據傳輸率,在同步傳輸模式下有 1Mb/s的數據傳輸率;
　　◇ 具有總線供電能力,有非常好的EMI性能;
　　◇ 在掛起時有可控制的LazyClock輸出;
　　◇ 可通過軟件控制USB總線連接SoftConnect;
　　◇ 在USB傳輸時有閃亮的USB連接指示燈GoodLink;
　　◇ 時鐘頻率輸出可編程;
　　◇ 符合ACPI、OnNOW和USB電源管理要求;
　　◇ 具有內部上電復位和低電壓復位電路;
　　◇ 有SO18和TSSOP28封裝;
　　◇ 能在－40~＋85 ℃工業級工作;
　　◇ 片內8kV靜電保護;
　　◇ 雙電壓工作：(3.3±0.3）V或擴大的5 V電壓范圍（3.6~5.5 V）;
　　◇ 多中斷模式,方便塊傳輸和同步傳輸。

1.2 內部結構

　　PDIUSBD12的內部框圖如 圖 1 所示。


圖1PDIUSBD12內部結構框圖

　　①模擬收發器。集成的收發器直接通過終端電阻與USB電纜接口。

　　②電壓調整器。片上集成的1個3.3 V電壓調整器為模擬收發器供電,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。

　　③ PLL。片上集成1個6~48 MHz的倍頻PLL（鎖相環）,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。

　　④位時鐘恢復。位時鐘恢復電路用4倍過采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時鐘,能跟蹤USB規范中指出的信號抖動和頻率漂移。

　　⑤PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實現USB協議層。考慮到速度,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 /串轉換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定。

　　⑥ SoftConnect。高速設備與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的,缺省是沒有連接到VDD,這個連接是靠外部 MCU發一個命令來建立的。這使得系統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。

　　⑦GoodLink。GoodLink是靠一個引腳接發光二極管實現的。在 USB設備枚舉時LED指示燈將立即閃亮;當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時, LED指示燈將會始終亮;經過PDIUSBD12的USB數據傳輸過程中, 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,方便電路調試。

　　⑧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）數據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位數據總線和1位地址線的存儲設備。 PDIUSBD12支持多路復用和非多路復用的地址和數據總線。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。

2PDIUSBD12的引腳說明及典型連接

2.1PDIUSBD12引腳說明

　　PDIUSBD12引腳如 圖 2 所示,引腳如 表 1 所列。

圖2PDIUSBD12的引腳圖

表1PDIUSBD12引腳說明

2.2 PDIUSBD12的典型連接

　　PDIUSBD1與80C51的連接電路如 圖 3 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據總線配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳,控制是命令還是數據輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數據總線相連接,CLKOUT 時鐘輸出為80C51提供時鐘輸入。

圖3PDIUSBD12與80C51的連接電路圖

3軟件設計

3.1 單片機方面軟件設計

　　對于單片機控制程序,目前沒有任何廠商提供自動生成固件（firmware）的工具,因此所有程序都要由自己手工編制。USB單片機控制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、主循環部分,其任務是可以中斷的;第三、中斷服務程序,其任務是對時間敏感的,必須馬上執行。根據USB協議,任何傳輸都是由主機（host）開始的,這樣,單片機作它的前臺工作,等待中斷。主機首先要發令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD12）,PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發中斷,單片機進入中斷服務程序,首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器,判斷 USB令牌包的類型,然后執行相應的操作。因此,USB單片機程序主要就是中斷服務程序的編寫。在USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應,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發命令和數據來實現的。 PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數據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的命令地址發命令,根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。因此,可以將每種命令做成函數,用函數實現各個命令,以后直接調用函數即可。

　　在編寫USB的單片機程序時,需要注意：

　　① 單片機的中斷應設置為電平觸發;中斷后一定要讀上次傳輸狀態寄存器（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。
　　② 在接收到Setup包后,一定要調用ACK setup命令重新使能端口0。
　　③ 在向IN端點寫完數據后,一定調用Validate Buffer（命令FAH）,指明緩沖區中的數據有效,可以發送到主機。
　　④當讀完數據后,一定調用Clear Buffer（命令F2H）,以保證可以接收新的包。
　　⑤可以通過調用Read Chip ID（命令FDH）檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個字節數據。

　　USB初始化過程為：

　　① Set Address Enable;
　　②Set Endpoint Enable（此時LED亮）;
　　③ Disconnect;
　　④delay（1~2 s）;
　　⑤ Connect（即用43h參數調用Set Mode,此時LED滅）;
　　⑥ Read Interrupt Register。

　　完成初始化工作后,就可作其它的前臺工作了,并在前臺判斷是否有 Setup包（通過一個變量,當中斷服務程序檢測到有Setup包時,設置該變量）,然后執行響應的控制傳輸。

　　在調試USB單片機程序時,還要特別注意Windows對USB設備的枚舉順序：

　　① GetDeviceDescriptor。主機主要對Length域感興趣,發送內容一定要正確,特別是第 2字節type一定為0x01,即Device;否則,主機將不響應,或者再重復2次后放棄。可檢查一下對EP0的RX、TX的設置次序。

　　② SetAddress。一般為02或03。

　　③ 連續3次GetDeviceDescriptor,讀取全部設備描述符,一般為 18 B,分為多次傳輸。如果不正確,主機將不響應或重復2次后放棄。

　　④ GetConfigDescriptor。注意第2字節一定為0x02,即config 。

　　⑤GetStringDescriptor（可能沒有）,根據在設備描述符中是否有 String索引而定。一般先讀取LanguageID,再讀取product string。

　　⑥讀取全部ConfigDescriptor,次數根據描述符的大小決定（端點個數不同,描述符大小不同）,如果不正確,主機將不響應或再重復2次后放棄。

　　⑦ 如果以上步驟都正確,主機將找到新設備,提示安裝驅動程序;否則找到未知設備,不可用。安裝驅動程序后,以后的每次PlugIn,枚舉次序與以上步驟略有不同,之后會有 SetConfiguration、GetConfiguration和GetInterface等調用。

3.2 主機方面軟件設計

　　Windows98 提供了多種USB設備的驅動程序,但好像還沒有一種是專門針對數據采集系統的,所以必須針對特定的設備來編制驅動程序。盡管系統已經提供了很多標準接口函數,但編制驅動程序仍然是USB開發中最困難的一件事情,通常采用Windows DDK來實現。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生成高質量的USB 的驅動程序。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術來說,USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驅動程序不同。它是WDM類型的。

　　在調試USB設備時,可使用UsbView程序檢測設備是否能被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生成一個通用驅動程序,在Windows提示安裝驅動程 序時,選擇Driver Wizard生成的驅動程序。其實Driver Wizard生成的僅是一個Windows控制臺的應用程序,它會調用安裝Driver Wizard時安裝在系統中的通用USB驅動程序。使用該程序就可測試設備是否能夠正確傳輸數據以及傳輸速度。該程序也可作為最終產品USB傳輸部分的框架;如果不能滿足要求,也可用WDM重新編制驅動程序,用調試好的USB設備來開發、調試主機軟件。

4 應用實例

　　本文介紹一個高速數據采集系統,以AD公司的ADμC812為系統控制器。該單片機本身就是高度集成的高精度12位數據采集系統,在其片內不僅組合了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位（與8051兼容）MCU,還包含了高性能的自校準多通道（8個輸入通道）12位ADC和兩個12位 DAC,且內核與8051指令集兼容。PDIUSBD12作為 ADμC812的存儲器外設,接口比較簡單。需要注意的地方是引腳必須接高電平,否則將不能接收任何命令和數據;EOT_N必須通過電阻接到USB 的+5 V,以正確檢測到USB連接;INT_N引腳加1個上拉電阻,+5 V接到VDD引腳;在VOUT3.3引腳加 1μF（電解電容）和0.1μF兩個退耦電容。

結束語

　　PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件,它的SoftConnect 和GoodLink技術使開發和調試USB設備時非常方便,在性能、速度、方便性以及成本上都具有很大的優勢。因此,使用PHILIPS公司的PDIUSBD12可以快速開發出高性能的 USB設備。

參考文獻

1 Philips Corp. PDIUSBD12 Users Manual
2Universal Serial Bus Specification,Compaq,Intel,Micrisoft,NEC,Revision 1.1 eptember 23, 1998
3 劉丁,毛德柱,王云飛. USB在數據采集系統中的應用. 電子技術應用
4晁建剛,陳善廣,薛亮. 基于USB接口技術的外設應用設計. 嵌入式系統論文集,2000.11