單片機與USB接口設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上單片機與USB接口設計摘要： 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速度瓶頸。通用串行總線(USB)作為一種新的微機總線接口規(guī)范，具有便捷、易擴展、低成本、低干擾等特點，非常適合作為主機和外設之間的通信接口。本文介紹了一種比較簡單方便設計USB設備的方法，設計采用51單片機和USB接口芯片組成的單片機最小系統(tǒng)來實現(xiàn)一個完整的USB設備，大大提高了通信速率。在設計中，采用的控制器是51單片機AT89S52，USB電氣接口則是PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。單片機控制器作為下位機，通過USB電氣接口芯片和USB總線與PC機交換數(shù)據(jù)，

2、并實現(xiàn)USB設備的邏輯功能。系統(tǒng)開發(fā)的最終硬件成果是一個帶有USB接口的設備，通過USB電纜與PC機相連接，能夠實現(xiàn)主機對設備的列舉，以及和PC機交換數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)其擴展功能。關鍵詞： USB；單片機系統(tǒng)；PDIUSBD12；AT89S52；接口技術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”。它是應用在PC領域的新型接日技術。1997年開始有真正符合USB技術標準的外設出現(xiàn)。USB1.1是支持USB的計算機與外設上普遍采用的標準。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四個成員外，還有惠普、朗訊和飛利浦于個新成員。USB2.0將向下兼容USB1.1，數(shù)據(jù)的傳輸率將達120Mbps-24OMbps，目前已經(jīng)能支持掃描儀、打印機及存儲設備。1 USB物理體系結構USB總線設備以星型的拓撲結構實現(xiàn)與主機的物理連接，其物理拓撲結構如圖1.1所示。復合設備根HUB主機設備設備HUB設備設備HUB設備設備圖1.1 USB物理總線拓撲結構USB的接入點由集線器(Hub)來提供。這種由集線器提供的額外的接入點稱為端口(Port)。主機中包含了一個嵌入的集線器，稱為根集線器(Root hub)通過根集線器，主機可以提供一個或多個接入點

7、。為主機提供附加功能的設備稱為功能模塊。為了防止出現(xiàn)環(huán)形接入的情況，在USB中使用了分層的拓撲結構。這種結構具有樹型結構。通過使用集線器擴展可連接多達127個外設。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到不低于200mV。功率不大的外設可以直接使用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設備的邏輯結構如圖1.2所示，USB設備的物理連接不影響這個邏輯視圖。圖1.2 USB邏輯結構USB2.0模塊依靠片上USB設備控制器(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、批量傳輸和等時傳輸。如果從頭設計一個USB設備，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，由主機軟件發(fā)起的請求/響應通信過程，具有突發(fā)性,非周期的特點。任何一個USB設備都必須

9、支持與一個控制傳輸類型相對應的端點0。2)中斷傳輸:單向的并且對于主機來說只有輸入的通信方式。主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，用來支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務時間受限制的設備。鍵盤，鼠標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)性強等特點。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)錯誤的時候會要求發(fā)送方重發(fā)。打印機和掃描儀屬于這種類型。4)同步傳輸:主要用于主機和設備與時間有關的信息傳輸，具有周期性、連續(xù)性等特點。它要求有一個恒定的速率。例如進行語音業(yè)務傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。3 US

10、B接口技術在進行一個USB設備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。實現(xiàn)USB設備與計算機之間的接口連接，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可以識別的TTL電平信號之間相互轉換的接口芯片。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的外圍器件與單片機及

11、單片機的其它外圍電路共同組成的USB設備。采用這種結構開發(fā)USB設備成本較低，可靠性高。另一種就是采用帶有USB接口電路的單片機，這種單片機的芯片上集成了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。采用這種結構的設備外圍電路簡單，設計方便，周期短，但這些要采用專業(yè)的開發(fā)設備，且投資高2。因此，選擇的方案是功能強大，支持總線供電和設備自供電兩種方式的PDIUSBD12作為接口芯片來設計USB設備接口，單片機控制器作為下位機，通

12、過USB接口芯片和USB總線與PC機交換數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)USB設備的邏輯功能。4 USB外圍電路及其與單片機連接USB與51單片機的連接非常簡單，可以參照圖1.4。圖1.4 USB與單片機的連接圖中，ALE接為低電平表示一個獨立的地址和數(shù)據(jù)總線配置PDIUSBD12的A0腳與AT89S52的任意一個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，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，設備選擇的是5V電源供電。D12與單片機連接時可以給它加接6M的石英晶體，單片機的外部時鐘則由D12的CLKOUT引腳提供，時鐘輸出的頻率為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 結束語本文從硬