基于C8051F340微控制器的USB通訊接口的設(shè)計(jì)

1、2011年2月第39卷第4期機(jī)床與液壓 收稿日期:20100108基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳2009年高等學(xué)校科研項(xiàng)目(2009A083作者簡(jiǎn)介:許明(1984,男,碩士研究生。通訊作者:張磊,電話:138*,E mail :leo200117 ?；贑8051F340微控制器的USB 通訊接口的設(shè)計(jì)許明,王學(xué)俊,丁金華,張磊,張波(大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連116034摘要:實(shí)現(xiàn)基于Silicon 公司的C8051F340混合信號(hào)微控制器的USB 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單介紹C8051F340及其內(nèi)嵌的USB 控制器的特點(diǎn),根據(jù)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)了硬件電路;使用Silicon 公司提供的U

2、SBXpress 開發(fā)軟件包分別實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的通訊程序;給出了用VB 編寫的上位機(jī)軟件圖形界面,在此界面上顯示出實(shí)驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有接口簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣、性價(jià)比突出等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:USB 通訊;C8051F340微控制器;USBXpress 軟件包中圖分類號(hào):TM571-61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10013881(201140982Design of USB Interface Based on MCU C 8051F 340XU Ming ,WANG Xuejun ,DING Jinhua ,ZHANG Lei ,ZHANG Bo(School of Mechanical Eng

3、ineering and Automation ,Dalian Polytechnic University ,Dalian Liaoning 116034,China Abstract :The design of USB communication system was implemented based on mixed signal MCU C8051F340of Silicon CoThe characteristics of C8051F340and its embedded USB controller were introduced ,and hardware circuit

4、was designed according to themThe program for PC and MCU communication was realized separately by Silicon Laboratories USBXpress development kitGraphic interface of PC software was programmed by VB ,and data obtained from experiment were displayed on itThis system is char-acterized by simpleness in

5、interface ,wide accommodation and high cost-performanceKeywords :USB interface ;C8051F340MCU ;USBXpress software在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域,單片機(jī)技術(shù)的上下位機(jī)通訊是其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵性問題。近些年,隨著USB (通用串行總線1技術(shù)的發(fā)展,其成為了在上下位機(jī)通訊中的主要技術(shù)手段?；诖?設(shè)計(jì)了以Silicon 公司新型內(nèi)嵌USB 控制器的C8051F340作為下位機(jī)主控芯片、上位機(jī)程序采用VB 編寫圖形界面的一個(gè)USB 通訊系統(tǒng)。1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)C8051F340微控制器2,是Sili

6、con 公司的新型全速USB FLASH 微控制器。其芯片內(nèi)部集成了一個(gè)完全符合USB2.0規(guī)范的USB 功能控制器。該微控制器具有很多優(yōu)點(diǎn):(1高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核(可達(dá)48Mb /s ;(2全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi);(3真正10bit 200kb /s 的單端,差分ADC ,帶模擬多路器;(4片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器;(5片內(nèi)電壓比較器(2個(gè);(6精確校準(zhǔn)的12MHz 內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器;(7多達(dá)64kB 的片內(nèi)FLASH 存儲(chǔ)器;(8多達(dá)4352B 片內(nèi)RAM (256+4kB ;(9USB 功能控制器,符合USB 規(guī)范2.0版,集成時(shí)鐘恢復(fù)電

7、路,無需外部晶體,支持8個(gè)端點(diǎn),1kB USB 緩存,集成收發(fā)器,無需外部電阻(圖1。圖1內(nèi)嵌USB 原理圖這些優(yōu)點(diǎn)使得在設(shè)計(jì)USB 通訊的硬件接口電路時(shí)非常簡(jiǎn)單,不需要添加額外的電子元器件,就能實(shí)現(xiàn)USB 的數(shù)據(jù)傳輸與控制(圖2 。圖2USB 接口連接電路2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)圖3USBXpress 數(shù)據(jù)流程在Silicon 公司的開發(fā)軟件IDE 中提供了配套的USB 驅(qū)動(dòng)文件USBXpress 3,使程序設(shè)計(jì)的難度降低了不少,無需了解更多的USB 協(xié)議即可進(jìn)行USB 設(shè)備的開發(fā)(圖3。USBXpress 軟件開發(fā)包由固件庫文件US-BX_F34X.LIB 、頭文件USB _API.H 、動(dòng)態(tài)鏈

8、接庫文件(dll SiUS-BXp.Dll 、驅(qū)動(dòng)程序SiUSBXp.sys 、INF 驅(qū)動(dòng)安裝文件SiUSBXp.inf 等組成。在這里除了USB_API.H 文件是下位機(jī)的頭文件外,其余都是為上位機(jī)VB 、VC 等程序提供的。下位機(jī)軟件是在Silicon 公司提供的IDE 環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)的。與上位機(jī)通訊所需要的接口函數(shù)都包含在USBXpress 軟件開發(fā)包的頭文件USB_API.H 中。在設(shè)計(jì)中主要調(diào)用了以下函數(shù):USB_Clock_Start (/*初始化USB 時(shí)鐘*/USB_Init (/*使能USB 接口*/Block_Write (/*通過USB 向主機(jī)寫入數(shù)據(jù)*/Block_R

9、ead (/*通過USB 從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)*/Get_Interrupt_Source (/*得到引發(fā)API 中斷的類型*/USB_Int Enable (/*API 中斷使能*/USB_Int_Disable (/*API 中斷禁止*/USB_Disable (/*USB 中斷禁止*/USB_Suspend (/*USB 中斷暫停*/USB_Get_Library_Version (/*返回USBX-press 固件庫版本*/USB 主要工作在虛擬中斷模式下(入口地址為0x008B ,中斷號(hào)為17,軟件運(yùn)行時(shí)當(dāng)USB_Clock_Start (和USB_Init (對(duì)單片機(jī)配置完之后,Get_

10、In-terrupt_Source (函數(shù)開始工作,它始終在檢測(cè)USB 總線的狀態(tài),并返回相應(yīng)的函數(shù)值。部分程序如下:void USB_API_TEST_ISR (void interrupt 17BYTE INTVAL =Get_Interrupt_Source (;/得到中斷類型if (INTVAL RX_COMPLETE /數(shù)據(jù)發(fā)送完成Block_Read (Out_Packet ,*;if (INTVAL DEV_SUSPEND /設(shè)備掛起Suspend_Device (;if (INTVAL DEV_CONFIGURED /設(shè)備初始化Initialize (;上位機(jī)軟件是用VB6.0

11、開發(fā)的,通過主機(jī)(上位機(jī)的調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫文件SiUSBXp.dl1,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)設(shè)備之間的通信4。SiUSBXp.dl1提供的API 函數(shù)主要有:SI_GetNumDevices ('返回主機(jī)所連接USB 設(shè)備的個(gè)數(shù)SI_GetProductString ('返回所連接USB 設(shè)備的描述符SI_Open ('打開USB 設(shè)備SI_Close ('關(guān)閉USB 設(shè)備SI_Read ('讀設(shè)備SI_Write ('寫設(shè)備程序流程如圖4所示 。圖4VB 程序流程圖實(shí)驗(yàn)中用下位機(jī)發(fā)送了一組曲線數(shù)據(jù)給上位機(jī),(下轉(zhuǎn)第103頁·99·

12、第4期許明等:基于C8051F340微控制器的USB 通訊接口的設(shè)計(jì)了故障與報(bào)警程序的編寫難度。觸摸屏程序使用WinCC Flexible 軟件編寫,主要包括開機(jī)畫面、主畫面、伺服軸手動(dòng)操作畫面、自動(dòng)循環(huán)監(jiān)控畫面、自動(dòng)循環(huán)參數(shù)配置畫面、液壓氣壓潤(rùn)滑操作畫面以及報(bào)警信息畫面,其主要結(jié)構(gòu)如圖6。開機(jī)畫面顯示機(jī)床初始化信息;伺服軸手動(dòng)操作畫面包括伺服軸回零、伺服軸正反向點(diǎn)動(dòng)以及單循環(huán)試運(yùn)行畫面;自動(dòng)循環(huán)畫面則顯示在自動(dòng)運(yùn)行過程中正在進(jìn)行的工序、各軸的實(shí)際速度位置參數(shù);自動(dòng)循環(huán)參數(shù)配置畫面允許操作人員在本地操作時(shí)進(jìn)行加工參數(shù)調(diào)整,以試驗(yàn)配方數(shù)據(jù)的可行性; 報(bào)警信息窗口在出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)將自動(dòng)彈圖6觸摸屏

13、程序結(jié)構(gòu)出,準(zhǔn)確提醒操作人員故障所在,故障消除后將關(guān)閉;液壓氣壓潤(rùn)滑操作畫面用于手動(dòng)模式下操作調(diào)整氣缸液壓馬達(dá)以及換刀油缸,并可以手動(dòng)進(jìn)行床體潤(rùn)滑以及潤(rùn)滑參數(shù)設(shè)置。觸摸屏自動(dòng)循環(huán)畫面如圖7所示 。圖7觸摸屏自動(dòng)循環(huán)畫面4結(jié)論該系統(tǒng)采用SIEMENS 公司的Simotion D435控制器與TP177B 觸摸屏的組合作為機(jī)床的主要控制單元,因其自身強(qiáng)大的工程開發(fā)系統(tǒng)以及各種功能的結(jié)構(gòu)化的軟件模塊,使得系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期大大縮短,系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性大大提高。Simotion D435自帶以太網(wǎng)模塊,簡(jiǎn)化了與裝配線中其他控制器以及上位機(jī)之間的通訊設(shè)置,可以更加方便地進(jìn)行生產(chǎn)管理。該機(jī)床投入生產(chǎn)以后,大

14、大降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率,所加工的管料也完全符合裝配單元對(duì)工件的精度要求。參考文獻(xiàn):【1】李建輝,蔡偉波,吳修國(guó)基于OPC 技術(shù)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)J 微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(24:1618【2】SIEMENS LtdS120SIMOTION M SIEMENS Ltd ,2007【3】SIEMENS LtdSCOUT Manuals M SIEMENS Ltd ,2007【4】田紅芳,楊明多西門子Simotion D 在五伺服枕式包裝機(jī)中的應(yīng)用C /全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2009年會(huì)論文集,2009【5】崔潤(rùn)記,張君峰,李忠,等西門子新型運(yùn)動(dòng)控制器Simo-ti

15、on D435在全鋼工程胎成型機(jī)上的應(yīng)用J 微機(jī)應(yīng)用與自動(dòng)控制,2007,33(4:4954【6】鄧覺川一種基于PLC 和位控單元的機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 化學(xué)工程與裝備,2008(3:9497【7】陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990【8】黃立培電動(dòng)機(jī)控制M 北京:清華大學(xué)出版社,2003【9】李華德,白晶,李志民,等交流調(diào)速控制系統(tǒng)M 北京:電子工業(yè)出版社,20033(上接第99頁VB 接收到數(shù)據(jù)后繪制出相應(yīng)曲線,最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果如圖5所示 。圖5VB 實(shí)現(xiàn)的結(jié)果3結(jié)束語利用Silicon 公司的混合信號(hào)處理器C8051F340芯片,完成了USB 通訊的軟件和硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了USB 的批量傳輸,傳輸速率達(dá)到了全速USB2.0的12Mb /s 的速度要求,將單片機(jī)采集到的整組數(shù)據(jù)同時(shí)傳到上位機(jī)并顯示出來。參考文獻(xiàn):【1】Compaq ,Intel ,Microsoft ,et alUniversal Serial Bus Specifi-cation Revision 2.0M 2000【2】C8051F340Datasheet OL http :/wwwsilabscom【3】Silicon Lab oratoriesUSBXpr