基于PDIUSBD12芯片的USB接口設計

隨著計算機技術和信息技術的飛速發展，計算機外設種類的增多與有限的主板插槽和端口之間的矛盾日益突出，由Intel，Microsoft等公司聯合制定的總線接口規范即通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）的出現^［1］，為解決這一矛盾提出了最好的解決方案。USB具有以下特點：

(1)有較高的傳輸速率USB 1.1支持全速和低速2種方式。全速速率為12 Mb/s，低速速率為1.5 Mb/s；?USB 2.0除支持USB 1.1的2種速度方式外，還增加了速率可達480 Mb/s的高速方式。
（2）他的使用方便靈活^［2］USB支持即插即用和熱插拔，他允許在任何時候連接和斷開外設，當外設被連接時，系統會自動檢測到外設并準備使用。
(3)他易于擴展通過根集線器可攜帶127個設備^［3］，真正實現多個外設共用一個接口。

此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優點而倍受歡迎。

?目前供于開發USB設備的芯片很多，但主要有2類：一類是帶USB接口的微控制器（MCU），這些微控制器有些是從底層專用于USB控制的，比如Cypress半導體公司的CY7C63xxx（低速）、CY7C64013（全速），這類微控制器有自己的系統結構和指令；有些微控制器只是增加了USB接口的通用芯片（基于8051內核），比如Intel公司的8x931，8x930，Cypress半導體公司的EZUSB；另一類是純粹的USB接口芯片，他需要一個外部微控制器控制，比如朗訊公司的USS820/825，National半導體公司的USBN9602，NetChip公司的NET2888，Philips公司的PDIUSBD11（I2C）和PDIUSBD12（并行接口）。因此在USB設備開發之前必須根據具體要求選用合適的USB接口芯片，以降低開發成本、減少開發時間。本文以PDIUSBD12為USB接口芯片，以ADuC812為控制器完成了USB接口的設計。

1PDIUSBD12芯片和ADuC812芯片簡介
1.1PDIUSBD12 簡介
?PDIUSBD12是Philips公司推出的一款特點突出的USB接口芯片。該芯片使用8位并行數據線連接到MCU，1位地址線用來區分寫命令或讀寫數據，他支持3個USB端點，1個端點能保存128 B，另2個能保存256 B。

?PDIUSBD12完全遵從USB 1.1協議，他內部集成有串行接口引擎（SIE）、320 bFIFO存儲器、收發器（Transceiver）和電壓調節器，其原理框圖如圖1所示。還有可編程的時鐘輸出和狀態LED輸出（GoodLink^TM），可控制的軟件連接（SoftConnect^TM）以及內部上電復位和低電壓復位電路。有2種電源供電方式：內部3.30.3 V電源和外部電源（電壓范圍3.6～5.5 V）。溫度范圍為－40℃～＋85 ℃，采用28腳SSOP封裝。

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對外部微控制器沒有任何限制，開發者可以選用自己熟悉的MCU來控制。多種中斷方式方便于塊傳輸（Bulk）和同步傳輸（Isochronous），使用塊傳輸方式時的速度可達1 Mb/s，同步傳輸的速度可達1 Mb/s。他適合大多數USB設備類的設計：圖像設備類、大容量存儲設備類、通信設備類、打印設備類、人機接口設備類等。

1.2ADuC812簡介
?ADuC812是美國AD公司首先投入市場的微處理器，其內部集成了完整的8052內核、1個8通道的12位ADC、2個12位的電壓輸出DAC，除了8052的256 b RAM外，還有640 b Flash數據存儲器，8 kb Flash程序存儲器^［4］。

?另外該MCU還有看門狗定時器、電源監視器、ADC與數據存儲器之間的DMA功能，以及為多處理器接口和I/O擴展提供了32條可編程的I/O線、I²C兼容的SPI和標準UART串行I/O等。他采用52腳PQF封裝，大小約為1 cm²。

?同時，AD公司還為ADuC812的開發提供了完整的硬件調試工具和開發仿真軟件，使得開發變得簡單方便。因此，ADuC812由于體積小、功耗低、性價比高而極具誘人的應用前景。

2硬件電路設計
?由PDIUSBD12和ADuC812構成的USB接口電路如圖2所示。PDIUSBD12的8位并行數據接入ADuC812 的P0口，地址線A15（P2?7）作為PDIUSBD12的片選，地址線A14（P2.6）作為PDIUSBD12的命令或數據的選擇線。在片選信號有效的前提下（P2.7=0），當P2.6=1時，給PDIUSBD12發命令；當P2.6=0時，給PDIUSBD12寫數據或從PDIUSBD12的 Buffer中讀數據；因此，地址0x7FFF發命令，地址0x3FFF讀寫數據。PDIUSBD12與ADuC812的數據交換采用中斷方式（外部中斷0）。他的一個輸出（GL_-N）接LED對其狀態進行監控，這個LED在USB被連接時會發光，在進行數據傳輸時會閃爍，LED常亮或一直不亮說明USB接口有問題。

?USB設備通過4線電纜接入主機或USB Hub，這4線分別是：V_CC（總線電源），GND（地線），D+和D-（數據線）。主機通過D+和D-上的電壓變化來檢測到設備的狀態，當沒有設備連接到USB端口時，?D+?和D-線上的下拉電阻就將2條數據線拉到近地，當檢測到任一條數據線電壓接近V_CC?，而其他保持近地電壓，那么主機就知道該設備已經準備好了。

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主機通過檢測是哪一條數據線電壓變高來確定設備是全速或低速，當D+數據線高時，就為全速；當D-數據線低時，就為低速。PDIUSBBD12的全速模式通過軟連接（SoftConnect^TM）在D+上接１個1.5kΩ的上拉電阻。

3固件設計
?當設備連接到主機以后，主機通過給PDIUSBD12的端點0發送包含標準USB請求的控制傳輸（即Setup包），PDIUSBD12產生一個中斷給MCU（INT0），MCU通過讀PDIUSBD12的中斷寄存器和最后一次傳輸狀態寄存器來對每一個請求作出響應，并通過PDIUSBD12的端點0回送請求信息。主機從返回的信息中讀取描述數據，分配和載入一個設備驅動程序并對設備進行配置。設備被配置好后，就可以使用配置中支持的端點來傳輸數據。這一部分工作由MCU來控制完成，并且該控制程序需要固化在ADuC812的內部ROM中，稱之為固件（firmware）。

PDIUSBD12的端點0有3個狀態，其變化關系如圖3所示，固件程序必須利用這3種狀態關系來正確地處理控制傳輸。把主機通過PDIUSBD12的端點0給設備發USB請求設為OUTs，通過端點0接收數據設為INs。MCU處理來自主機的Setup包（Control Out）的軟件流程圖如圖4所示，MCU通過PDIUSBD12的控制端點0給主機發送描述符數據（Control In）的軟件流程圖如圖5所示。PDIUSBD12的描述符數據必須嚴格遵循USB 1.1協議第九章（Chap9）的規定，描述符數據包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符。

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完成PDIUSBD12的固件（Firmware）程序后，在USB設備驅動程序的開發中筆者使用了Jungo公司的WinDriver 5.03，應用程序的開發使用的是VC 6.0。

4結語
?該USB接口適合于高速數據采集系統與主機進行數據通信，同時，他也為便攜式系統提供了方便、快捷和可靠的接口解決方案。目前，USB已經廣泛地應用在PC的外設上，特別是USB 2.0協議推出后，數據傳輸能力和速度大大提高，使得USB數碼相機、數碼攝像機能在短時間內完成大容量的圖像傳輸。此外，USB的突出特點使得他必將在更廣闊的領域得到應用。

參考文獻

［1］Universal erial Bus specification compaq. Intel,Microsoft,NEC Revision 1.1 September 23,1998
［2］Jan Axelson(美).USB大全［M].陳逸，等譯.北京：中國電力出版社,2001
［3］Don Anderson(美).USB系統體系［M］.精英科技譯?北京：中國電力出版社，2001
［4］劉書明，馮小平.數據采集系統芯片AduC812原理與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社, 2000