单片机与USB接口设计

单片机与USB接口设计摘要：51系列芯片的串口通信速率较低,会在其串口通信中形成一个速度瓶颈。通用串行总线(USB)作为一种新的微机总线接口规范，具有便捷、易扩展、低成本、低干扰等特点，非常适合作为主机和外设之间的通信接口。本文介绍了一种比较简单方便设计USB设备的方法，设计采用51单片机和USB接口芯片组成的单片机最小系统来实现一个完整的USB设备，大大提高了通信速率。在设计中，采用的控制器是51单片机AT89S52，USB电气接口则是PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。单片机控制器作为下位机，通过USB电气接口芯片和USB总线与PC机交换数据，并实现USB设备的逻辑功能。系统开发的最终硬件成果是一个带有USB接口的设备，通过USB电缆与PC机相连接，能够实现主机对设备的列举，以及和PC机交换数据，并实现其扩展功能。关键词：USB；单片机系统；PDIUSBD12；AT89S52；接口技术USBinterfaceinthedesignofcommunicationAbstract：Thecommunicationrateoftheseries51chipisloweranditformsatarebottleneckinserialcommunication.ThispaperintroducedasimpleandconvenientmethodtodesignaUSBapparatus,thatistosay,torealizeanintactUSBapparatuswithaminimumsystemofsingle-chipcomputerthatmadeof51single-chipcomputerandUSBinterface,thecircuitgreatlyimprovescommunicationrate.Inthissystem,Iadopted51one-chipcomputersAT89S52asitscontroller,thechipPDIUSBD12ofPHILIPSCompanyasitselectricinterface.Theone-chipcomputerasthenextmachine,exchangesthedatawiththePC,throughtheUSBbusandUSBelectricinterfacechip,anditrealizesthelogicfunctionofUSBapparatus.ItcanexchangedatawithPC,andrealizeitsexpandingfunction,throughconnectingwithPC.Keywords：single-chipcomputersystem；interfacetechnology；PDIUSBD12；AT89S52；USB0引言USB是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是应用在PC领域的新型接日技术。1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB1.1是支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准。USB2.0规范发布以后，支持者除了原有的康柏、Intel、微软和NEC四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦于个新成员。USB2.0将向下兼容USB1.1，数据的传输率将达120Mbps-24OMbps，目前已经能支持扫描仪、打印机及存储设备。1USB物理体系结构USB总线设备以星型的拓扑结构实现与主机的物理连接，其物理拓扑结构如图1.1所示。图1.1USB物理总线拓扑结构USB的接入点由集线器(Hub)来提供。这种由集线器提供的额外的接入点称为端口(Port)。主机中包含了一个嵌入的集线器，称为根集线器(Roothub)通过根集线器，主机可以提供一个或多个接入点。为主机提供附加功能的设备称为功能模块。为了防止出现环形接入的情况，在USB中使用了分层的拓扑结构。这种结构具有树型结构。通过使用集线器扩展可连接多达127个外设。USB的电缆有4根线，两根传送的是十5V电源，另外两根是数据线。其定义如表1.1所示。信号线的特性阻抗为9052，而信号是利用差模方式送入信号线的。利用这种差模传输方式，接收端的灵敏度可以达到不低于200mV。功率不大的外设可以直接使用USB总线电源供电，而不必外接电源，USB总线最大可以提供5V,500mA电源，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。复合设备根HUB主机设备设备HUB设备设备HUB设备设备表1.1USB电缆信号定义USB设备的逻辑结构如图1.2所示，USB设备的物理连接不影响这个逻辑视图。图1.2USB逻辑结构USB2.0模块依靠片上USB设备控制器(UDC20)和USB物理层接口(UPHY)，支持USB全速和高速协议。USB2.0模块的示意框图如图1.3所示图1.5：USB2.0模块方块图编号信号名称颜色注释1VBUS红色电源线2D-白色-数据3D+绿色+数据4GND黑色地线2USB传输类型在USB级，设备可以使用4种不同的传输类型通信:控制传输、中断传输、批量传输和等时传输。如果从头设计一个USB设备，必须决定那些传输类型是合适的。1)控制传输:主要用于命令袱态操作，由主机软件发起的请求/响应通信过程，具有突发性,非周期的特点。任何一个USB设备都必须支持与一个控制传输类型相对应的端点0。2)中断传输:单向的并且对于主机来说只有输入的通信方式。主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送，用来支持那些偶然需要少量数据通信，但服务时间受限制的设备。键盘，鼠标和游戏杆都属于这种类型。3)批量传输:主要用于没有带宽和间隔时间要求的大量数据的传送和接收。它具有非周期和突发性强等特点。它并不能保证传输的速率，但可以保证传输的可靠性，出现错误的时候会要求发送方重发。打印机和扫描仪属于这种类型。4)同步传输:主要用于主机和设备与时间有关的信息传输，具有周期性、连续性等特点。它要求有一个恒定的速率。例如进行语音业务传输时，使用等时传输方式是很好的选择。3USB接口技术在进行一个USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。实现USB设备与计算机之间的接口连接，通常的做法有以下的两种：一种是采用分离的USB接口芯片和微处理芯片。USB接口芯片，是指芯片厂商生产的可以用单片机控制的，带有USB电气接口，并完成将USB总线中的物理信号同单片机可以识别的TTL电平信号之间相互转换的接口芯片。USB接口芯片常见的有PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)，PDIUSBD11A，PDIUSBD12(并行接口)，NationalSemiconductor的USBN9602,USBN9604等。接口芯片作为单片机的外围器件与单片机及单片机的其它外围电路共同组成的USB设备。采用这种结构开发USB设备成本较低，可靠性高。另一种就是采用带有USB接口电路的单片机，这种单片机的芯片上集成了USB接口电路，可以直接处理USB传输线上的数据。如Intel的8X930AX,CYPRESS的EZ-USB,SIEMENS的C541以及MOTOLORA，NationalSemiconductors等公司的产品。采用这种结构的设备外围电路简单，设计方便，周期短，但这些要采用专业的开发设备，且投资高[2]。因此，选择的方案是功能强大，支持总线供电和设备自供电两种方式的PDIUSBD12作为接口芯片来设计USB设备接口，单片机控制器作为下位机，通过USB接口芯片和USB总线与PC机交换数据，并实现USB设备的逻辑功能。4USB外围电路及其与单片机连接USB与51单片机的连接非常简单，可以参照图1.4。INT_TA0DATA[7:0]WR_NRD_NCLKOUTCS_NALEPDIUSBD12INT0/P3.2ANYI/OPORT(e.g.P3.2)P[0.7:0.0]/AD[7:0]WR/P3.6RD/3.7XTAL189S52VDD图1.4USB与单片机的连接图中，ALE接为低电平表示一个独立的地址和数据总线配置PDIUSBD12的A0脚与AT89S52的任意一个I/O口相连。该端口控制PDIUSBD12的命令和数据状态。AT89S52的多位地址和数据总线可直接与PDIUSBD12的数据总线相连。D12可以选择5V和3.3V两种电源电压供电。使用5V电源供电时，要在Vout3.3输出引脚接10μF和0.1μF的去耦电容，Vcc接5V；使用3.3V电源供电，需要把Vcc和Vout3.3两脚都接3.3V，设备选择的是5V电源供电。D12与单片机连接时可以给它加接6M的石英晶体，单片机的外部时钟则由D12的CLKOUT引脚提供，时钟输出的频率为12M[20]。图1.5是D12器件和它的外围电路原理图，D12的D0～D7引脚接系统数据总线，A0接数据线A0，片选信号接数据线A5，这样D12的数据口地址就可以定为10h，而地址口地址定为11h（由于A5不参与其它芯片的地址译码，所以这样的地址分配不会引起冲突）[5]。+5V+5V+5V+5V+5V+5V1234J1USB-BPORT18R118R21KR71KR60.1uFC110oFC2Y16MHZ30pFC330pFC4D9LEDA0WRRDA5GNDUSB-INTMCU-CLKAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD[7,0]D01D12D23D34D46D57D68D79GND5ALE10CS11SUSPEND12CLKOUT13INT14RD15WR16DMREQ17DMACK18EOT19RESET20GL21XTAL122XTAL223VCC24D-25D+26Vont3.327A028U3PDIUSBD12图1.5USB外围电路5结束语本文从硬件和软件两个方面详细地介绍了USB接口在单片机通信中的设计应用过程以及相关技术要点。系统设计过程中涉及到的技术USB技术。6参考文献[1]胡晓军.USB接口开发技术［Ｍ］.西安:西安电子科技大学出版社。[2]许永和.USB外围设备设计与应用［Ｍ］.北京:北京航空航天大学大学出版社。[3]张宏.USB接口技术［Ｍ］.西安:西安电子科技大学出版社。[5]张念淮.USB总线接口开发指南［Ｍ］.北京：国防工业出版社。