基于msp430f249單片機(jī)的usb接口設(shè)計(jì)

1、集 39 卷 第6 期 2009 年 6 月 令焊蚨 氏 tric We汕碼 讓叫血eVoL39 No.6JUD.2009基于 M SP4 30F2 49 單片機(jī)的 U SB接口設(shè)計(jì) 朱麗娜，盧振洋，劉嘉 （北京 工業(yè)機(jī)電 學(xué)院，北京 100124)摘要 ：基于 PC 機(jī)對(duì)目標(biāo) 系統(tǒng)的控制含要 ，考慮到 USB 總線傳輸速度 高、支持熱拔 插等 突出優(yōu)點(diǎn) ，提 出了一種 基于 MSP430F249 單片機(jī) 和一款 USB-TO-UART 橋掛芯片 TUSB3410的 USB 接 口設(shè)計(jì)方案 ， 通過 USB 接口實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與目 標(biāo)系統(tǒng)的通信。詳細(xì)介 紹了 MSP430F249 單片機(jī)和 U

2、SB-TO- UAR T 橋接芯片 TUSB3410 的特點(diǎn)以及本接口的硬 件設(shè)計(jì)方法和軟件 實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn) 單、成本低、適用范圍廣 ， 具有很好的市場(chǎng)前 景，可以在對(duì)電焊機(jī) 參數(shù)的采集以及 PC 機(jī)對(duì)電焊機(jī)的控 制上加以推 廣應(yīng) 用。 關(guān) 鍵 詞 ：MSP430F249; USB；接 口設(shè)計(jì) 中圖 分類號(hào) ：TG400文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A文章編號(hào) ：1001-2303(200)06-0070-04Design of USB interface based on MSP430F249ZHU Li-na,LU Zhen-yang.LIU Jia(College of Mechanical

3、 Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China).Ahstract:Because of the control acqui忒lion of current real-time data 叮 stem and the advantag竊 of USB bus such 邸 high tranBmi88ion speed, hot-swappable support, propo虹 I a USB in比 rfece design based

4、 on MSP430F249 MCU and a USB-TO-UART bridge chip TIJSB3410, to 配 hieve the communi 也 tion 比 訂een the PC and target 可stem during USS.Elaborated MSP430F249 MCU and the USB-TO-UART bridge chip nJSB 3410小e hardware and software design methods.The desi薩 atructure is simple, low c叫 ，石de application a吐 h皿

5、good 皿 如 t prospects.It 山 o can 比 uaed in electric wel如 屯 parame比 rs acquisition，邸 well aa PC-control of the wel如 屯 m缸 hine.Key wo志 ：MSP430F249;USB;in比 rf配 e d創(chuàng) 伊 。前言 USB（通用串行總線）是一種高速的 接 術(shù)，其主要特點(diǎn)是傳輸速度高、支持熱拔插，并且可 同時(shí)支持 127 個(gè)外設(shè)等， USB2.0的速度可以 達(dá)到480 Mb/s，可以很好的解決 系統(tǒng)與 PC 機(jī) 之間大數(shù)據(jù)量的快速傳輸問題，另外，還具有使用方便、成本 低、可靠性高

6、等優(yōu)點(diǎn)。 在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中， 迫切需 要一種方法以實(shí)現(xiàn)微機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行快速、方 便、可靠的數(shù)據(jù)傳輸因此，本文提出了一種基于MSP430F249單片機(jī)的 USB 接口設(shè) 計(jì)方案，可以根 收稿日期：2009-03-02作者簡(jiǎn)介 ：朱麗娜(1985一），女，內(nèi)蒙古錫林浩特人，碩士，主要從事焊接自動(dòng)化方面的研究工作。 70 g么 勿今 據(jù)用戶需求將其設(shè)計(jì)在所需系統(tǒng)中。 例如在電焊機(jī)的開發(fā)中， 需要對(duì)焊接電流、電 壓、送絲速度等各項(xiàng)焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及處理， 井且要求處理后的數(shù)據(jù)或者波形可以實(shí)時(shí)的傳送 給焊機(jī)。即可將此設(shè)計(jì)融人在焊機(jī)中， 以達(dá)到通過 USB 總線讀取 數(shù)據(jù)，由 PC 機(jī)

7、通過 USB 總線對(duì)目標(biāo) 1 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的(l 氣 硬件設(shè)計(jì)方案 1.1 MSP430F249 單片機(jī)和接口芯 片介紹 MSP430F249 單片機(jī)是一款 16 位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合刮單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi) 外設(shè)和方便靈活的 開發(fā)手段。另外，MSP430F249 價(jià)格低廉，適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境溫度為 舅貝與1 計(jì)朱麗娜等；基于MSP430F249 單片機(jī)的 USB接口設(shè)計(jì)第 6 期 -40 t 85t 。具有4 個(gè)通用串行通信口，有 UART、IIC、SPI。利用這些通信口再 加上一款 TUSB3410 USB TO-UAR T 橋 接芯片即可方便的實(shí)現(xiàn)與

8、PC 機(jī) 之間 的通信。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 1 所示，主機(jī) PC 與 MSP430 之間可進(jìn)行全 雙工串口通信，主機(jī) PC 經(jīng) TIJSB3410 虛擬的一個(gè) COM 口 與 MSP430的 硬件 USART 模塊進(jìn) 行通信。 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)桓 IIFig.I System diagram11JSB3410 為 TI 公司推出的一款用 千USB-TO UART 端口 的橋接器，包括 通過 USB 總線 與主機(jī)進(jìn)行通信所必需 的全部邏輯電路 ，符合 USB2.0規(guī) 范， 支 持最高 12 Mb/ s 的全速傳輸，支持 USB 中 止、恢復(fù)及遠(yuǎn)程喚醒功能；同時(shí)，其內(nèi)部 包含一個(gè) 8052的CPU

9、核、16kB RAM、包含 PC 引導(dǎo) 加載程序的 lOkB ROM,4 個(gè)通用 1/0 口 ，具有 USB總線供電 和自帶 電 源兩種供電模式。 對(duì)千 USB 的兼容性來說，任意 USB設(shè) 備都具有唯一的 VID（廠 商 識(shí)別 碼）和PID（產(chǎn)品識(shí)別碼），VID/PID 值作為一個(gè)描述符傳輸給主機(jī) PC，并且與存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng) INF 文件中的值 相匹配 ，操作系統(tǒng)根據(jù) VlD/ PID加載不同的 驅(qū)動(dòng)程序。在此所描述的 USB 參 考設(shè)計(jì) 配置如表 1 所示。 如 VID/PID 信息 等，既可通過 MCU 經(jīng) 1屯 模 塊將EEPROM 的 鏡像文件寫人 EEPROM，也可通過專用EEPROM

10、 編 程器直接對(duì) EEPROM 進(jìn)行鏡像文件寫人。TUSB3410 也通過 代 接口讀取 EEPROM 數(shù)據(jù)。 1.2 硬件電路原理 系統(tǒng)原理如圖 2 所 示，MSP430F249的 UAR T模塊與 TIJSB3410 連接。 圖 2 中 VBUS 即為預(yù)留出來的 USB 口 ，這里選用了 B 型 USB 插 頭，可以利用 USB 的 竊電功能，直接竊用 PC 機(jī)上 USB 接口提供的 100 mA 、5 V 電 通過圖 2 中所示的電源芯片 TPS77301(ll4)3.6 V LOO 穩(wěn) 壓后作為 MCU 系統(tǒng)的 VCC 電 壓，使得調(diào)試時(shí)更 加方便無需外接電源。 TUSB341O(U2

11、)的 USB數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)雙路 USB 端口瞬 態(tài)器SN7.5240(U3)后 連接到標(biāo)準(zhǔn)的 USB B 型連接口（圖2 中的 VBUS)，以增 強(qiáng)系統(tǒng) ESD 杭干擾能力；圖 2 中所示的 128K 外部 EEPROM 通過1氣 通訊并存儲(chǔ) USB 配置參數(shù) ，EEPROM 的 大小根據(jù)存儲(chǔ)量選擇 ，編程時(shí)通過短接 JPI 跳針與 EEPROM 的 SCL信 號(hào)線 相 連，同時(shí) TUSB3410 通過 USB將標(biāo)準(zhǔn)的 VID/PID 值傳送到主機(jī) PC。 TUSB3410 選用 12 MHz 品 振 ，與 MCU 信 號(hào) 連接如表 2 所示。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MCU 的 UAR T 模塊開始工作，支持

12、 TUSB3410 所 有波特率，同時(shí) 通過1 氣 模塊與外部 EEPROM 采用在線編程方式直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MCU 的 P3.0/UCBOSTE/UCAOCLK 引 腳 作為TUSB3410 的復(fù)位腳 ，當(dāng) MCU 訪問 EEPROM 時(shí) ，復(fù) 位該引腳，當(dāng)沒有外設(shè)連接時(shí)也可用該引腳進(jìn)行復(fù) 位測(cè)試吼， 褒 2 信號(hào)連接 Tab.2 Signal connectiont:MCV 信 號(hào)TUSB341O描述可表1 USB 配置 Tab.l Configuration of USBr 雹項(xiàng)目參數(shù)、說明 信號(hào)戈 P3.51UCAORX&UCAC60MlSOUT從 USB口 接收數(shù)據(jù) F召P3.41UC

13、AOfXD/UCAffiIMOSIN從 USB口 發(fā)送數(shù)據(jù) 土P3.1/UC IMOO 呻 A SDA代數(shù)據(jù)線 P3加 C以凡叩r的SCLPC 時(shí)鐘線 TUSB3410 的用法 固件驅(qū)動(dòng)位置 VID(商品識(shí)別碼） PID(產(chǎn)品識(shí)別碼） 制造商描述產(chǎn)品描述符 串口類型的設(shè)備主 機(jī) PC OX04SlOX應(yīng) “TI”MSP430-TIJS8 3410參考設(shè)計(jì)” P3叭JCBCSIF/1.JCAOCIK RESETTUSB3410 復(fù)位信號(hào) XT21NCLKOUT 允許IlB:D410輸出時(shí)鐘 2 軟件設(shè)計(jì)方案 整個(gè)接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件由三部分組成：上位 機(jī)應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 、下位機(jī) USB設(shè)

14、備 程序。 系統(tǒng)中的外部 EEPROM 用 于存儲(chǔ)配置參數(shù)，這里若重介紹第三部分一一下位機(jī) USB設(shè) 備 程序， 氐歹今- .-_A_ 71 ii只與 量計(jì)噙焊枚第 39 卷 Vee凡R 14RST-3410 LJ LJ RC,31F與 MSP430 接口 U5VREGENPl-I cVDRF.SHIWA 灶 UPl:GND擴(kuò)SCSDRnVee,-1.knIIT” SUSPENDF3 丘因DN 婦仁8G如 .F外擴(kuò) 128K EEPROMCFig.2 N G I 電瀛圖 2 硬件電路原理 Hardware circuit schematicsGND即對(duì)MCU 的編程1 6-7Jo上述三部分中，

15、上位機(jī)應(yīng)用程序主要是通過函數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序 ，實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉 USB 設(shè)備、檢測(cè)USB 設(shè)備、顯示讀寫數(shù)據(jù) ，并對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、輸出等，可根據(jù)不同的系統(tǒng)制定不同的數(shù)據(jù)處 理及輸出方案。 第二部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在這里實(shí)際上是要建立一 個(gè)虛擬串口 (COMX)，使得 PC 上的 軟件通過這個(gè)串口和 MSP430聯(lián)系，這部分 可以通過 在 PC 機(jī)上安裝一個(gè)虛擬串行口 VCP(Virtual COM Port) 驅(qū)動(dòng)程序 ，將 USB 口虛擬成一個(gè)串口 ，像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口那樣進(jìn)行外設(shè)和 PC 機(jī)的通信。本質(zhì)上所有針對(duì)虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是通過 USB 總線 完成的。 第三部分下 位機(jī) USB 設(shè)

16、備程序是指固化到單片機(jī)的 Flash 中的程序，響 應(yīng)各種來自 系統(tǒng)的 USB 標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和 處理， 其主要功能是控制芯片 TUSB3410 接收并處理USB 驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求及應(yīng)用程序的控制指令。下面主要針對(duì)這一部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。 這一部分的 主程序流程如圖 3 所示 ，MCU上 電復(fù)位后調(diào)用 lnitSystem(）初始化程序 ，初始化外 72g慫心，勿今 4 婦色 設(shè)、看門狗 通 用 1/0 口等，設(shè) 置系統(tǒng)時(shí)鐘 為外 部8 MHz 晶振，同時(shí)將 USARTO 設(shè)為 12: 模式與外部EEPROM實(shí)時(shí)通信。 圖3 MCU 的主程序流程 Fig.3 Maln p 田 p

17、m of MCUMCU 初始化時(shí) ，TIJSB3410 處于復(fù)位狀態(tài)， MCU通過 1氣 直接檢測(cè)外部 EEPROM的有效地址 只與量計(jì)朱麗娜等：基于 MSP430眨49 單片機(jī)的 USB 接口設(shè)計(jì)第 6 期 位和 ACK 應(yīng)答位當(dāng)接收到有 效 ACK 信 號(hào)時(shí)，則調(diào) 用 EEPROM- Verify( ）程序校驗(yàn)該 EEPROM 中的 程 序是否 與 MSP430F249 內(nèi) 部 Flash 存儲(chǔ)的EEPROM 鏡像文件一致。若檢測(cè)到外 部 EEPROM 為空，則調(diào)用 EEPROM_Write(）程序?qū)?MSP430F249 內(nèi) 部 Fl邸 h 存儲(chǔ)的 EEPROM 鏡 像寫入 EEPROM

18、。當(dāng) EEPROM 程序更新后，TUSB3410 釋放復(fù)位信號(hào)，讀取外部 EEPROM值 ，當(dāng)連接到 USB 主機(jī)控制器時(shí)，TUSB3410 會(huì) 將這些數(shù)據(jù)提供給 USB 主機(jī)核對(duì)，同 時(shí)將 MCU 復(fù) 位引腳設(shè)為 NMI 模式，防止MCU 意外 復(fù)位。 初始化后，MCU 通過 Timer_B7模塊檢測(cè) keyl 按鍵狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下，捕獲I比較模塊捕捉到按 鍵的上升沿信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷 ，同時(shí)喚醒 MC IJ 。 中斷 服務(wù)程序流程如圖 4 所示。首先將USAR10 設(shè) 為 UART 異步串口模式，然后以 460 800 波特進(jìn)行通訊 ，一幀數(shù)據(jù)通信的字符格式為 8 位數(shù)據(jù) 位和1個(gè)停止位，沒有

19、奇偶校驗(yàn)位，當(dāng)系統(tǒng) 要求高速率傳輸時(shí) ， 主機(jī) PC 需 打 開虛擬 COM 口 ，并與 MCU 配置相匹配 ， 此時(shí) MCU 傳輸速率可達(dá)到 921600 波特 。由此即實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)系統(tǒng)與 PC 機(jī)之間的通信。 3 結(jié)論 超低功耗 MSP430F249 微控制器與 TUSB3410 實(shí)現(xiàn) USB 設(shè) 備的接口設(shè)計(jì)，具 有功耗低、可靠性高、移植性強(qiáng)等特點(diǎn) ，這種 USB 設(shè) 備接口適用于 PC 機(jī)與系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為系統(tǒng)和外設(shè)之間提供了一種快速、方便、可靠的數(shù)據(jù)交換方式，可以用于對(duì)電焊機(jī)參數(shù)的采集以及控制，也可以加以推廣應(yīng)用到其它設(shè)備開發(fā)中。 另外還可以 擴(kuò)展在 USB 接口處插人 U 盤

20、的功 圖 4 中斷服務(wù)程序流程 Fig.4 Interrupt service routine能，與本研究所使用的方法相比，硬件和軟件上的 實(shí)現(xiàn)方案略有不同。 參考文獻(xiàn)： 1 廖曉軍基于 USB接口的混合電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)J. 機(jī)械與電子，2006(11),65-67.2 張鵬賢 波形控制逆變 CO，焊接電源的可靠性研究隊(duì)電焊機(jī)，2003,33(4):12-15.(3 曹 放 主動(dòng)、從動(dòng)USB 接口的實(shí)現(xiàn)J微機(jī)計(jì)算機(jī)信息， 2007(29):304-306.4 朱六妹 電焊機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試儀的研究?jī)弘姾?機(jī)003,33(4),20-23.(5 張念淮 ，江 浩USB 總線接口開發(fā)指南Mt 北京

21、：國防工業(yè)出版杜 ，2001.6 魏小龍MSP430 系列單片機(jī)接術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例MJ.北京：北京航空航天 ，2002.7 Universal Serial Bus Device Class Definition for Human Interface Device(HID)M.USB Implementers Forum,1997.g 孕，傳條橫干時(shí)的仕意事顧 1() 低氫型焊條在常溫下超過 4 h 時(shí)，應(yīng)重新烘干。重復(fù)烘干次數(shù)不宜超過 3 次。2() 烘干焊條時(shí) ，禁止將焊條突然放進(jìn)高溫爐內(nèi) ，或從高溫爐中突然取出冷卻 ，防止焊條因票冷驟熱而發(fā)生的藥皮開裂現(xiàn)象。 3() 焊條烘干時(shí)應(yīng)作記錄，記錄上應(yīng)有牌號(hào)、批號(hào)、溫度、時(shí)間等內(nèi)容。4() 在焊條烘干期間 ，應(yīng)有專門負(fù)責(zé)的技術(shù)人員，負(fù)責(zé)對(duì)操作過程進(jìn)行檢查和核對(duì) ，對(duì)每批焊條不得少于一次，井在操作記錄上簽名。5() 烘干焊條時(shí)焊條不應(yīng)成躲或成捆地堆放，應(yīng)鋪