基于USB接口的单片机与PC机通信-论文.doc

基于USB接口的单片机与PC机通信摘 要：安装USB设备不需要用户自己设置硬件与软件的选项，USB接口的传输速度要比计算机传统的串行口和并口快的多，所以USB设备已经广泛应用。由于协议的复杂性，在系统中实现USB主机功能的实例还不是很多。因此本文没有从复杂的USB总线协议入手，而是选择了南京沁恒公司出产的USB接口芯片CH375。其具有内置固件模式和可编程的2311外部固件模式，可以根据需要任意选择工作模式。关键词：单片机；CH375；USB；协议The Design of the communication between MCU and PC which is based on USB interfaceAbstract: USB device does not require users to install their own set of hardware and software options, and computer transmission speed faster than the traditional serial and parallel port , so USB devices have been widely used. Because of the complexity of the agreement, in the system of USB host function realization example is not a lot. Therefore this article does not starting with the complex USB agreement, but chose the USB interface chip CH375 which produced by Nanjing Qin Heng company, their model has a built-in firmware and firmware programmable of 2311 external model, we can choose the mode of operation with a need for arbitrary.Key words: Single Chip Microcontroller;CH375;USB;Agreement目 录1 前 言11.1 题目的来源与开发意义11.2 系统功能概述12 系统硬件设计22.1 方案论证22.2 系统硬件总体设计概述22.3 系统功能概述32.4 系统各模块的设计42.4.1 单片机控制系统42.4.2 USB接口模块63 系统软件设计113.1 系统软件总体设计思想113.2 各功能模块软件程序设计114 系统调试164.1 硬件电路调试164.2 各功能模块软件调试165 结论18参考文献19致 谢201 前 言1.1 题目的来源与开发意义USB的低功耗，可靠性，价位低等优点，在人们日常生活中应用越来越广泛，各种各样的USB产品应运而升1，并且随着技术的发展，USB的版本以发展到了3.0，传输速度也更快，更强，更稳定。而单片机以其良好的普及性，易用性，稳定的控制性不断的出现在我们生活中的各个角落，并且一发不可收拾2。电子应用中数据传输占了很大一部分。我把这几项当前技术融合在一起进行开发，实现可携带的支持计算机热插拔的单片机与PC机之间的数据传输。 1.2 系统功能概述单片机与计算机之间的通信功能实现，这里应用了由南京沁恒公司生产的CH375芯片作为单片机与计算机USB接口芯片3。使用10位的AD串行AD芯片TLC1549进行电压采集，使用电位器来模拟传感器。本次设计主要利用STC89C52RC单片机作为主要核心模块,利用C51语言行控制，以C语言作为整合的开发环境，可大大缩短软件设计时间。上位机采用的是VC+在Visual Studio 2010上编写的一个简单的控制台程序，USB驱动采用了沁恒公司的通用CH375驱动软件。通过键盘给上位机（PC）输入不同的命令可以控制下位机(单片机)的三个不同颜色的LED。同时单片机向PC发送采集到的电压值。这里支持计算机热插拔，挟带方便，设备占用空间小，低功耗是本设计的创新之处，而且相应的CH375接口模块成了印刷式电路板，为以后学习和开发计算机与单片机通过U口传输数据的同学提供了便捷的硬件环境。2 系统硬件设计2.1 方案论证方案一：有关USB控制芯片很多但主要有两个来源，一个是Cypress Semiconductor,另一个是ScanLogic。我们可以选择市面比较通用的Cypresss enCoRe控制器芯片CY4C63743，此芯片电路设计起来比较容易。但此芯片需要固件支持。En指令相对简单，可以使用汇编语言编译器来实现，但固件编程相对繁琐，而且CY4C63743结和了单片机与USB数据传输的功能相对开发需要了解内部的时续与中断控制，类似于嵌入了USB功能的单片机。方案二：用南京沁恒公司的CH375芯片，需要外接微控制器，电路稍微麻烦一点，但是我的设计只需要用到USB设备模式一块，而我们可以让CH375工作在内置固件下，我们减轻了单片机方面的固件编写负担，只需按要求让单片机将要发送的数据传给CH375即可，CH375自行与PC进行数据交换，这同样节省了对复杂协议的学习时间。而单片机更可以选择STC系列的51单片机，这种单片机可以通过串口在线编程，方便开发。由此可见方案二更有效。2.2 系统硬件总体设计概述 硬件设计相应的分两个模块，一方面是控制模块由宏晶生产的STC系列的51单片机为核心的单片机做控制；另一方面由CH375做为USB的通信接口芯片的接口模块。控制模块中主要用到了STC89C52单片机，其中的P0口与CH375的数据并口相连，所以P0口必须接10K的上拉电阻，在控制模块上有一个与通信接口模块相连的插座，共16个引脚其具体对应了控制模块与通信接口模块之间的GND，相应的复位引脚，还有与CH375并口模式相对应的控制，数据引脚A0，WR，RD，CS ，INT ，D0-D7。TLC1549与单片机通信是串行模式，所以只需占用单片机的三个IO口。使用LED来显示PC上的命令信息。 通信接口模块分两个部分一个是与PC机相连的CH375部分，一个是单片机控制部分。为了方便开发，单片机单独供电，而没有与USB模块共用PC上的USB电源。为了保护AD芯片，设计了AD输入保护。电路在防止干扰方面，在每个芯片的电源端添加了去耦电容。如图2.1为硬件实物图图2.1 硬件实物2.3 系统功能概述如图2.2为系统框图AD模块PC机（上位机端）USB接口通信模块单片机控制模块（下位机端）图2.2 系统框图该设计实现单片机端通过AD模块采集数据经USB接口模块发送到PC机的界面上显示，同时PC机端也可通过按键控制单片机端的LED亮灭，实现双向通信。具体工作流程：首先进行各个模块初始化，然后在PC机端发送一个数据包，长度为64，单片机端接收到这个数据包，根据数据包的内容来控制LED灯的暗灭，接着AD模块采集数据，这里的数据是电压值，可传送2.50到5.00伏的电压值，单片机端接收到AD模块采集的数据，再通过USB通信接口模块传输到电脑上显示出来。2.4 系统各模块的设计 2.4.1 单片机控制系统如图2.3为单片机控制模块图2.3 单片机控制模块STC89C52RC单片机作为硬件的核心处理器，它的工作电路分为三部分：晶振电路、复位电路、电源电路。晶振为CPU提供工作需要的高频率、高精确的时钟；复位电路在芯片在上电复位或者手动复位时引导程序从地址00H开始执行；而电源电路为芯片提供稳定且噪声低的直流电源。1 控制模块原理由图2.2的系统总框图可以看出，单片机直接控制CH375，向其发送数据或者读取数据。单片机与CH375采取系统总线接口，数据线为P0口，地址线为P0口（低位）和P2口（高位）。在电路中P0口连接CH375的8位并行数据接口，P2口只接了P2.0和P2.6,所以在发送地址的时候只有这两位有效，其他的地址线全部无效（这样接主要是为了简化电路）。通信前需要对USB初始化，具体过程如下：单片机通过上面的数据总线，先CMD_CHECK_EXIST这个测试命令，然后发送0x55再读取数据，若读取的数据是0x55则说明芯片正常工作，否则将对CH375进行多次重复发命令（80次）,执行硬件复位。确定芯片正常工作后就对芯片设置USB工作模式，这里的02H表示启用的设备方式并且使用内置固件模式。设置模式成功后，单片机将在10到20us内读取到CMD_RET_SUCCESS信号以确定CH375已经就绪。最后，单片机进行外部中断0的初始化，以保证CH375收到数据后能向单片机发送中断信号。单片机的对CH375进行读写数据都是在外部中断0的中断服务程序里面执行的。进入中断后，首先关闭总中断，防止在中断重入。然后发送CMD_GET_STATUS命令来读取中断状态，然后分别对三种不同的中断状态进行处理。其中在USB_INT_EP2_OUT状态下先读取数据包，然后AD采集数据并发送数据包。最后重新开启外部中断0，退出中断服务，等待下一次中断。P0口作为与CH375交流数据，命令的通信并口，INT0作为中断服务程序中断接口其他端口如图接，也可以选择其他单片机端口。2 高速串行AD芯片TLC1549TLC1549是美国德州仪器公司（以下简称TI）的一款高速串行的10位AD芯片。它采用简单的S通信，只使占用单片机的三根IO口，如图2.4图2.4 AD模块从图2.4可以看出，TLC1549工作电路非常简单，而不像一般AD芯片需要接上配对的电阻、电容以及晶振才能保证稳定的工作，只需接上电源和一个103的去耦电容即能工作。在此基础上，本设计添加了AD输入保护电路。保护电路是由两个二极管构成，如图所示，在AD输入电压超出5V或者低于0V的时候，二极管导通，使电压调整到正常范围，这样就保护了AD输入，防止芯片因此损坏。 2.4.2 USB接口模块CH375与USB连接及自身管脚连接具体如图2.5所示。图2.5 USB接口模块图J2是一个USB接口，与电脑相连接，J1是一个双排针左边是通信的端口与单片机的P0口连接，通过这个排针可以和单片机的各个引脚相连。1 USB的简介USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地应用。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为2.0版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。 USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。 USB2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。其中全速和低速是为兼容USB1.1而设计的，因此选购USB产品时不能只听商家宣传USB2.0,还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。USB总线是一种单向总线，主控制器在PC机上，USB设备不能主动与PC机通信。2 CH375芯片简介CH375 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机和DEVICE/SLAVE从机两种工作模式。本设计使用的是从机模式与PC进修双向通行。USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。CH375 的USB 设备方式与CH372 芯片完全兼容，CH375 包含了CH372 的全部功能。CH375的USB 主机方式支持常用的USB 全速设备，外部单片机可以通过CH375 按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘）。CH375硬件连接大致框如图2.6图2.6 系统总体框图 CH375芯片特点：1.低速和全速USB-HOST 主机接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。2.低速和全速USB 设备接口，完全兼容CH372 芯片，支持动态切换主机与设备方式。3.主机端点输入和输出缓冲区各64 字节，支持12Mbps 全速USB 设备和1.5Mbps 低速设备。4.支持USB 设备的控制传输、批量传输、中断传输。5.自动检测USB 设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。6.内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。7.内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，支持Bulk-Only传输协议和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘/USB 读卡器）。8.通过U 盘文件级子程序库实现单片机读写USB 存储设备中的文件。9.并行接口包含8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。10.串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整。引脚如图2.7 图2.7 引脚图引脚含义如表2.2 表2.2 引脚含义表 引脚号引脚名称类型引脚说明28VCC电源正电源输入端，需要外接0.1uF 电源退耦电容12-23GND电源公共接地端，需要连接USB 总线的地线9V3电源在3.3V 电源电压时连接VCC 输入外部电源，在5V 电源电压时外接容量为0.01uF 退耦电容13XI输入晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容14XO输出晶体振荡的反相输出端，需要外接晶体及振荡电容10UD+双向三态USB 总线的D+数据线，内置可控的上拉电阻11UD-双向三态USB 总线的D-数据线2215D7D0双向三态8位双向数据总线，内置上拉电阻4RD#输入读选通输入，低电平有效，内置上拉电3WR#输入写选通输入，低电平有效，内置上拉电阻27CS#输入片选控制输入，低电平有效，内置上拉电阻1INT#输出在复位完成后为中断请求输出，低电平有效8A0输入地址线输入，区分命令口与数据口，内置上拉电阻，当A0=1 时可以写命令，当A0=0 时可以读写数据24ACT#输出在内置固件的USB 设备方式下是USB 设备配置完成状态输出，低电平有效。对于CH375A 芯片，在USB 主机方式下是USB 设备连接状态输出，低电平有效5TXD输出仅用于USB 主机方式，设备方式只支持并口，在复位期间为输入引脚，内置上拉电阻，如果在复位期间输入低电平那么使能并口，否则使能串口，复位完成后为串行数据输出6RXD输入串行数据输入，内置上拉电阻2RSTI输入外部复位输入，高电平有效，内置下拉电阻25RST输出电源上电复位和外部复位输出，高电平有效26RST#输出电源上电复位和外部复位输出，低电平有效7NC.空脚空脚，必须悬空命令命令是CH375与单片机进行联络的核心，芯片内部的USB通行协议都要通过命令来实现，所以了解了CH375的命令就如同在8051中的C51语言，所以这部分很重要。代码命令名称输入数据输出数据命令用途06HRESET_ALL（等40mS）执行硬件复位06HCHECK_EXIST任意数按位取反测试工作状态15HSET_USB_MODE模式代码（等20uS）操作状态设置USB 工作模式22HGET_STATUS中断状态获取中断状态并取消请求02HSET_BAUDRATE分频系数（等1mS）操作状态设置串口通讯波特率分频常数28HRD_USB_DATA数据长度从当前USB 中断的端点缓冲区读取数据块数据流2BHWR_USB_DATA7数据长度向USB 主机端点的输出缓冲区写入数据块数据流各命令意义如表2.3表2.3 命令含义表中断原因如表2.4表2.4 中断状态表中断状态字节名称中断状态分析说明位7位4位3位2位1位0（保留位）当前事务当前端点总是000000=OUT 事务00=端点010=IN 事务01=端点111=SETUP 事务10=端点211=USB 总线复位表2.5是中断状态的分析说明。在内置固件模式的USB设备方式下，单片机只需要处理表中标注为灰色的中断状态，CH372 内部自动处理了其它中断状态。表2.5 中断状态表中断状态值状态名称中断原因分析说明01HUSB_INT_EP1_OUT辅助端点/端点1 接收到数据，OUT 成功09HUSB_INT_EP1_IN中断端点/端点1 发送完数据，IN 成功02HUSB_INT_EP2_OUT批量端点/端点2 接收到数据，OUT 成功0AHUSB_INT_EP2_IN批量端点/端点2 发送完数据，IN 成功05HUSB_INT_USB_SUSPENDUSB 总线挂起事件（如果已CHK_SUSPEND）06HUSB_INT_WAKE_UP从睡眠中被唤醒事件（如果已ENTER_SLEEP）功能说明CH375 芯片可以工作于USB-HOST 主机方式或者USB 设备方式。CH375 的USB 设备方式与CH372 芯片完全兼容， CH375的USB 主机方式支持并行接口和串行接口，本设计使用的是并行接口。在USB主机方式下，CH375支持各种常用的USB全速设备，外部单片机需要编写固件程序按照相应的USB协议与USB 设备通讯。但是对于USB 存储设备，CH375 内置了相关协议，通常情况下，外部单片机不需要编写固件程序，就可以直接通讯。CH375工作在并口，设备模式下（毕业设计相应的主要应用就是这类模式，就稍详细介绍这部分，而串口模式只工作在主机模式下不详细介绍了）硬件连接CH375芯片占用两个地址位，当A0 引脚为高电平时选择命令端口，可以写入新的命令，或者读出中断标志；当A0 引脚为低电平时选择数据端口，可以读写数据。下表为并口I/O 操作的真值表（表中X 代表不关心此位，Z 代表CH372 三态禁止）。表2.6 并口I/O 操作的真值表CS#WR#RD#A0D7-D0对CH372 芯片的实际操作1XXXX/Z未选中CH372，不进行任何操作011XX/Z虽然选中但无操作，不进行任何操作001/X1输入向CH372 的命令端口写入命令码001/X0输入向CH372 的数据端口写入数据0100输出从CH372 的数据端口读出数据0101输出从CH372B 的命令端口读取中断标志，位7 等效于INT#引脚3 上位机功能介绍 设置发送的第一个字节为0X21为约定命令，若接收方收到的不是0X21，则为错误数据，从新请求发送。在通信的过程中，采取了半双工的通信模式。上位机、下位机轮流发送64个字节的数据。在本设计的实际使用中，只使用了3到5个字节，其他的字节都为无效信息。在上位机上实现了显示下位机采集的数据信息，同时，上位机发送控制信息，下位机使用了LED来模拟控制。上位机界面如图2.8图2.8 上位机软件界面3 系统软件设计3.1 系统软件总体设计思想本系统软件设计分两部分，下位机部分和上位机部分。下位机部分应用的是C51语言。上位机界面图形编辑用的是VC+。单片机负责通过CH375上传数据，PC通过VC+程序调用USB驱动程序，查询动态链接库的数据信息，上传的数据存储在动态链接库中。这样最终的上传数据经VC+显示在PC上。3.2 各功能模块软件程序设计下位机模块软件程序设计 AD采集数据的流程图3.1开 始使能AD芯片等待芯片转换完成SPI读取10位数据停止AD转换采集30次进行滤波处理计算出实际电压值向CH375缓存发送电压值是否完成数据接收？CH375向PC发送数据包YN图3.1 AD采集数据的流程图具体程序如下： /*/unsigned int AD_Change(void)/ TLC549驱动程序unsigned int i,temp = 0;AD_In = 0;_nop_();_nop_();CS = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();if (AD_Out = 1) temp += 1;for (i = 0; i 10; i+)AD_In = 1;_nop_();_nop_();AD_In = 0;_nop_();_nop_();if(i != 9)temp = temp 1;if(AD_Out = 1) temp += 1;CS = 1;return temp;CH375发送数据部分流程如图3.2图3.2 CH375发送数据流程图中断程序如下：/*/void mCh375Interrupt() interrupt 0 using 1 / CH375中断服务程序,使用寄存器组1unsigned char InterruptStatus;unsigned char i, length;unsigned char xdata buffer64; / 64字节的缓冲区 存放数据EA = 0; CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS); / 获取中断状态并取消中断请求InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT(); / 读取中断状态 switch (InterruptStatus) / 分析中断状态处理 case USB_INT_EP2_OUT: / 批量端点下传成功 CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA); / 从当前USB中断的端点缓冲区读 取数据块 并释放缓冲区 length = CH375_RD_DAT_PORT(); / 首先读取后续数据长度 for (i = 0; i length; i+) bufferi = CH375_RD_DAT_PORT();/ 读取 接收数据包 /向USB端点2或者主机端点的发送缓冲区写 入数据块 CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7);/ 向USB端点2的发送缓冲区写入 数据块CH375_WR_DAT_PORT(length); / 首先写入后续数据长度,回传刚接收到的 数据长度 LED_1 = buffer1;LED_2 = buffer2;LED_3 = buffer3;temp = AD_Filter();volt = temp / 2; / / volt+; /volt = 456;CH375_WR_DAT_PORT(volt / 100 % 10 + 48); CH375_WR_DAT_PORT(volt / 10 % 10 + 48); CH375_WR_DAT_PORT(volt / 1 % 10 + 48); for (i = 0; i length - 3; i+) / 发送一块数据 64个字节CH375_WR_DAT_PORT(6 + 48); break; case USB_INT_EP2_IN: / 批量数据发送成功 CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB); / 释放当前USB缓冲区 break;default: / 其它中断,未用到,解锁后退出即可 CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB); / 释放当前USB缓冲区 break; EA = 1; 上位机模块软件程序设计 CH375在计算机端提供了应用层接口，应用层接口是由CH372动态链接库DLL 提供的面向功能应用的API，所有API 在调用后都有操作状态返回10，但不一定有应答数据。CH375动态链接库提供的API 包括：设备管理API、数据传输API、中断处理API。上位机中接受数据显示具体代码如下：/*/if ( CH375WriteData( 0, mBuffer, &mTotal ) ) / 发送，发送成功mLength = 64;if ( mTestCount = 0 ) Sleep( 200 ); / 考虑到之前单片机准备上传的数据可能未被计算机取走,导致首 次回传有可能直接读到之前的数据而不是本次数据的取反,所以 首次回传先等待单片机准备好取反数据if ( CH375ReadData( 0, mReadBuf, &mLength ) ) / 接收成功printf(Cnt=%4ld, Len=%2ld, Data: 电压值：%c.%c%c Vxd, mTestCount, mTotal, mReadBuf0, mReadBuf1, mReadBuf2);4 系统调试4.1 硬件电路调试这里不仅有CH375硬件有关的调试情况，还有在设计PCB板中的规则参考，比如抗干扰的方法。我们没用到主机模式，大部分调试都是面对该电路的USB设备模式的PCB设计要求。所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔9，以减少串扰。如果有两条相距较近的信号线，最好在两线之间走一条接地线，这样可以起到屏蔽作用。设计信号传输线时要避免急拐弯，以防传输线特性阻抗的突变而产生反射，要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆弧线。对于双面板（或六层板中走四层线）电路板两面的线要互相垂直，以防止互相感应产主串扰。注意在使用伟福仿真器进行测试时，仿真器电源要与其他电源同时上电，否则CH375将出现工作不正常。如果我们选择MAX810进行复位控制的话，MAX810应选3V多上电复位型号。因为USB 信号属于模拟信号，所在CH372、CH375、CH341等USB 芯片内部包含数字电路和一些模拟电路，另外，USB 芯片中还包含时钟振荡及PLL 倍频电路，以上3 种电路的公共地端在芯片内部已经连接在一起并连接到芯片外部的GND 引脚10。如果USB 芯片有时工作不正常、或者USB 数据传输随机性的失败、或者抗干扰能力差，那么就应该考虑USB 芯片是否稳定工作。4.2 各功能模块软件调试制作设计时，采取步步为营的方式来完成功能。首先，要确定最基本的单片机最小系统工作，在最初，可以先写一个LED闪烁来确定其是否正常工作。单片机模块完成后，将其与USB模块连接，尝试建立连接，由于操作过程比较复杂，最初是在网上找到的参考代码，参考代码必须十分简单，才能更容易调试。调试时，上位机采用BUS HOUND，这是一款强大的软件，通过这个软件，可以监测到PC上每个驱动的数据而不影响其工作，同时还能调用驱动发送数据和命令，是调试USB通信的好助手。图4.1是BUS HOUND的基本界面 图4.1 BUS HO