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 USB interface in the design of communication Abstract： The communication rate of the series 51 chip is lower and it forms a tare bottle neck in serial communication. This paper 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 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 exchange 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。 1 USB 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。 复合设备 根 HUB 主机 设备设备 HUB 设备 设备 HUB 设备 设备 图 1.1 USB 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(Root hub)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。 表1.1 USB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1.2 USB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 1 VBUS 红色 电源线 2 D- 白色 -数据 3 D+ 绿色 +数据 4 GND 黑色 地线 2 USB 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。 3 USB 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(I 2C 接口)，PDIUSBD11A，PDIUSBD12(并行接口)，National Semiconductor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，National Semiconductors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。 4 USB 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_A0D7:WRCLKOUSEPB12/3.Y(eg)6X895V 图1.4 USB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10F和0.1F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D0D7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。+5V1234JUSB- PORT8K760.uFCoYMHZpD9LEAWGNI,QXnt 图1.5 USB外围电路 5 结束语 本文从