單片機(jī)與USB接口設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上單片機(jī)與USB接口設(shè)計(jì)摘要： 51系列芯片的串口通信速率較低,會在其串口通信中形成一個(gè)速度瓶頸。通用串行總線(USB)作為一種新的微機(jī)總線接口規(guī)范，具有便捷、易擴(kuò)展、低成本、低干擾等特點(diǎn)，非常適合作為主機(jī)和外設(shè)之間的通信接口。本文介紹了一種比較簡單方便設(shè)計(jì)USB設(shè)備的方法，設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)和USB接口芯片組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的USB設(shè)備，大大提高了通信速率。在設(shè)計(jì)中，采用的控制器是51單片機(jī)AT89S52，USB電氣接口則是PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。單片機(jī)控制器作為下位機(jī)，通過USB電氣接口芯片和USB總線與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，

2、并實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的邏輯功能。系統(tǒng)開發(fā)的最終硬件成果是一個(gè)帶有USB接口的設(shè)備，通過USB電纜與PC機(jī)相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)對設(shè)備的列舉，以及和PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展功能。關(guān)鍵詞： USB；單片機(jī)系統(tǒng)；PDIUSBD12；AT89S52；接口技術(shù)USB interface in the design of communicationAbstract： The communication rate of the series 51 chip is lower and it forms a tare bottle neck in serial communication. This paper

3、introduced a simple and convenient method to design a USB apparatus, that is to say, to realize an intact USB apparatus with a minimum system of single-chip computer that made of 51 single-chip computer and USB interface, the circuit greatly improves communication rate. In this system, I adopted 51

4、one-chip computers AT89S52 as its controller, the chip PDIUSBD12 of PHILIPS Company as its electric interface. The one-chip computer as the next machine, exchanges the data with the PC, through the USB bus and USB electric interface chip, and it realizes the logic function of USB apparatus. It can e

5、xchange data with PC, and realize its expanding function, through connecting with PC.Key words： single-chip computer system；interface technology；PDIUSBD12；AT89S52；USB 0 引 言 USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接日技術(shù)。1997年開始有真正符合USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)出現(xiàn)。USB1.1是支持USB的計(jì)算機(jī)與外設(shè)上普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)。USB2.0規(guī)范發(fā)布以后，支持

6、者除了原有的康柏、Intel、微軟和NEC四個(gè)成員外，還有惠普、朗訊和飛利浦于個(gè)新成員。USB2.0將向下兼容USB1.1，數(shù)據(jù)的傳輸率將達(dá)120Mbps-24OMbps，目前已經(jīng)能支持掃描儀、打印機(jī)及存儲設(shè)備。1 USB物理體系結(jié)構(gòu)USB總線設(shè)備以星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的物理連接，其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.1所示。復(fù)合設(shè)備根HUB主機(jī)設(shè)備設(shè)備HUB設(shè)備設(shè)備HUB設(shè)備設(shè)備圖1.1 USB物理總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB的接入點(diǎn)由集線器(Hub)來提供。這種由集線器提供的額外的接入點(diǎn)稱為端口(Port)。主機(jī)中包含了一個(gè)嵌入的集線器，稱為根集線器(Root hub)通過根集線器，主機(jī)可以提供一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)

7、。為主機(jī)提供附加功能的設(shè)備稱為功能模塊。為了防止出現(xiàn)環(huán)形接入的情況，在USB中使用了分層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有樹型結(jié)構(gòu)。通過使用集線器擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。USB的電纜有4根線，兩根傳送的是十5V電源，另外兩根是數(shù)據(jù)線。其定義如表1.1所示。信號線的特性阻抗為9052，而信號是利用差模方式送入信號線的。利用這種差模傳輸方式，接收端的靈敏度可以達(dá)到不低于200mV。功率不大的外設(shè)可以直接使用USB總線電源供電，而不必外接電源，USB總線最大可以提供5V, 500mA電源，并支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。表1.1 USB電纜信號定義編號信號名稱顏色注釋1VBUS紅色電源線2D-白色-數(shù)據(jù)3

8、D+綠色+數(shù)據(jù)4GND黑色地線USB設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，USB設(shè)備的物理連接不影響這個(gè)邏輯視圖。圖1.2 USB邏輯結(jié)構(gòu)USB2.0模塊依靠片上USB設(shè)備控制器(UDC20)和USB物理層接口(UPHY)，支持USB全速和高速協(xié)議。USB2.0模塊的示意框圖如圖1.3所示圖1.5：USB2.0模塊方塊圖2 USB傳輸類型在USB級，設(shè)備可以使用4種不同的傳輸類型通信:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和等時(shí)傳輸。如果從頭設(shè)計(jì)一個(gè)USB設(shè)備，必須決定那些傳輸類型是合適的。1)控制傳輸:主要用于命令袱態(tài)操作，由主機(jī)軟件發(fā)起的請求/響應(yīng)通信過程，具有突發(fā)性,非周期的特點(diǎn)。任何一個(gè)USB設(shè)備都必須

9、支持與一個(gè)控制傳輸類型相對應(yīng)的端點(diǎn)0。2)中斷傳輸:單向的并且對于主機(jī)來說只有輸入的通信方式。主要用于定時(shí)查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，用來支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務(wù)時(shí)間受限制的設(shè)備。鍵盤，鼠標(biāo)和游戲桿都屬于這種類型。3)批量傳輸:主要用于沒有帶寬和間隔時(shí)間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收。它具有非周期和突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。它并不能保證傳輸?shù)乃俾?，但可以保證傳輸?shù)目煽啃裕霈F(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候會要求發(fā)送方重發(fā)。打印機(jī)和掃描儀屬于這種類型。4)同步傳輸:主要用于主機(jī)和設(shè)備與時(shí)間有關(guān)的信息傳輸，具有周期性、連續(xù)性等特點(diǎn)。它要求有一個(gè)恒定的速率。例如進(jìn)行語音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，使用等時(shí)傳輸方式是很好的選擇。3 US

10、B接口技術(shù)在進(jìn)行一個(gè)USB設(shè)備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的接口連接，通常的做法有以下的兩種：一種是采用分離的USB接口芯片和微處理芯片。USB接口芯片，是指芯片廠商生產(chǎn)的可以用單片機(jī)控制的，帶有USB電氣接口，并完成將USB總線中的物理信號同單片機(jī)可以識別的TTL電平信號之間相互轉(zhuǎn)換的接口芯片。USB接口芯片常見的有PHILIPS的PDIUSBD11(I2C接口)，PDIUSBD11A，PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor的USBN9602,USBN9604等。接口芯片作為單片機(jī)的外圍器件與單片機(jī)及

11、單片機(jī)的其它外圍電路共同組成的USB設(shè)備。采用這種結(jié)構(gòu)開發(fā)USB設(shè)備成本較低，可靠性高。另一種就是采用帶有USB接口電路的單片機(jī)，這種單片機(jī)的芯片上集成了USB接口電路，可以直接處理USB傳輸線上的數(shù)據(jù)。如Intel的8X930AX,CYPRESS的EZ-USB,SIEMENS的C541以及MOTOLORA，National Semiconductors等公司的產(chǎn)品。采用這種結(jié)構(gòu)的設(shè)備外圍電路簡單，設(shè)計(jì)方便，周期短，但這些要采用專業(yè)的開發(fā)設(shè)備，且投資高2。因此，選擇的方案是功能強(qiáng)大，支持總線供電和設(shè)備自供電兩種方式的PDIUSBD12作為接口芯片來設(shè)計(jì)USB設(shè)備接口，單片機(jī)控制器作為下位機(jī)，通

12、過USB接口芯片和USB總線與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的邏輯功能。4 USB外圍電路及其與單片機(jī)連接USB與51單片機(jī)的連接非常簡單，可以參照圖1.4。圖1.4 USB與單片機(jī)的連接圖中，ALE接為低電平表示一個(gè)獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線配置PDIUSBD12的A0腳與AT89S52的任意一個(gè)I/O 口相連。該端口控制PDIUSBD12的命令和數(shù)據(jù)狀態(tài)。AT89S52的多位地址和數(shù)據(jù)總線可直接與PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連。D12可以選擇5V和3.3V兩種電源電壓供電。使用5V電源供電時(shí)，要在Vout3.3輸出引腳接10F和0.1F的去耦電容，Vcc接5V；使用3.3V電源供電，需要把Vcc和Vout3.3兩腳都接3.3V，設(shè)備選擇的是5V電源供電。D12與單片機(jī)連接時(shí)可以給它加接6M的石英晶體，單片機(jī)的外部時(shí)鐘則由D12的CLKOUT引腳提供，時(shí)鐘輸出的頻率為12M20。圖1.5是D12器件和它的外圍電路原理圖，D12的D0D7引腳接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，A0接數(shù)據(jù)線A0，片選信號接數(shù)據(jù)線A5，這樣D12的數(shù)據(jù)口地址就可以定為10h，而地址口地址定為11h（由于A5不參與其它芯片的地址譯碼，所以這樣的地址分配不會引起沖突）5。圖1.5 USB外圍電路5 結(jié)束語本文從硬