摘要 USB作为一种新型的接口技术,以其简单易用、速度快等特点而备受青睐。本文简单介绍USB 接口的特点和PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12,并详细说明USB软硬件开发过程中应注意的问题。
关键词 USB USB调试 USB枚举顺序 接口技术
引言
USB是近年来应用在PC领域的新型接口技术,是一些PC大厂商,如 Microsoft、Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间 的矛盾而制定的一种串行通信的标准,自1995年在Comdex上亮相以来至今已广泛地为各 PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备了USB接口,Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对 USB的支持。
USB的主要优点：
① 使用方便。连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔,而不必关闭主机电源。
② 速度快。USB接口的最高传输率可达12 Mb/s;提供低速方式,速率为1.5 Mb/s。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输,最大理论速度也能达到1.2 Mb/s和9.6 Mb/s。
③ 连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器Hub,把多个设备连接在一起,再同PC机的USB口相接。
④ 独立供电。USB接口提供了内置电源。
现在的USB生产厂商很多,几乎所有的硬件厂商都有USB 的产品。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的,如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及 MOTOLORA、National Semiconductors等公司的产品;另一种就是纯粹的USB接口芯片,仅处理 USB通信,如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口）,National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。前一种由于开发时需要单独的开发系统,因此开发成本较高;而后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能,因此成本较低,而且可靠性高。本文主要介绍PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。
1 PDIUSBD12芯片特点和内部结构
PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件,通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通 用并行接口进行通信,也支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个 USB接口,允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控 制器,允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本, 是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案的一种最快途径。 PDIUSBD12完全符合USB1.1规范,也能适应大多数设备类规范的设计,如成像类、大 容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等,因此,PDIUSBD12 非常适合做很多外围设备,如打印机、扫描仪、外部大容量存储器（ Zip驱动器）和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用 USB来实现可以直接降低成本。
PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI 、OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。
PDIUSBD12还集成了像SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所 有这些特性都能在系统实现时节省成本,同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB功能。
1.1 主要特性
◇ 符合USB 1.1协议规范;
◇ 集成了SIE、FIFO存储器、收发器和电压调整器的高性能USB接口芯片;
◇ 适应大多数设备类规范的设计;
◇ 与任何微控制器/微处理器有高速（2MB/s）的并行接口;
◇ 完全自动DMA操作;
◇ 集成了320 B的多配置FIFO存储器;
◇ 主端点有双缓存配置,增加吞吐量,容易实现实时数据传输;
◇ 在块传输模式下有1MB/s的数据传输率,在同步传输模式下有 1Mb/s的数据传输率;
◇ 具有总线供电能力,有非常好的EMI性能;
◇ 在挂起时有可控制的LazyClock输出;
◇ 可通过软件控制USB总线连接SoftConnect;
◇ 在USB传输时有闪亮的USB连接指示灯GoodLink;
◇ 时钟频率输出可编程;
◇ 符合ACPI、OnNOW和USB电源管理要求;
◇ 具有内部上电复位和低电压复位电路;
◇ 有SO18和TSSOP28封装;
◇ 能在－40~＋85 ℃工业级工作;
◇ 片内8kV静电保护;
◇ 双电压工作：(3.3±0.3）V或扩大的5 V电压范围（3.6~5.5 V）;
◇ 多中断模式,方便块传输和同步传输。
1.2 内部结构
PDIUSBD12的内部框图如 图 1 所示。
图1 PDIUSBD12内部结构框图
① 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与USB电缆接口。
② 电压调整器。片上集成的1个3.3 V电压调整器为模拟收发器供电,也提供连接到外部1.5 kΩ上拉电阻的输出电压。作为选择,PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉电阻的SoftConnect技术。
③ PLL。片上集成1个6~48 MHz的倍频PLL（锁相环）,允许使用6 MHz的晶振,EMI也由于使用低频晶振而减小。PLL的工作不需要外部器件。
④ 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4倍过采样原理从输入的USB 数据流中恢复时钟,能跟踪USB规范中指出的信号抖动和频率漂移。
⑤ PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全实现USB协议层。考虑到速度,它是全硬件的, 不需要固件（微程序）介入。这个模块的功能包括：同步模式识别、并 /串转换、位填充/不填充、CRC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定。
⑥ SoftConnect。高速设备与USB的连接是靠把D＋通过1个1.5 kΩ的上拉电阻接到高电平来建立的。在PDIUSBD12中,这个上拉电阻是集成在芯片内的,缺省是没有连接到VDD,这个连接是靠外部 MCU发一个命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立 USB连接之前完成初始化。重新初始化USB总线连接也可以不用拔掉电缆来完成。
⑦ GoodLink。GoodLink是靠一个引脚接发光二极管实现的。在 USB设备枚举时LED指示灯将立即闪亮;当PDIUSBD12被成功枚举并配置时, LED指示灯将会始终亮;经过PDIUSBD12的USB数据传输过程中, LED将一闪一闪,传输成功后LED熄灭;在挂起期间,LED熄灭。这种特性可以使我们知道 PDIUSBD12的状态,方便电路调试。
⑧ 存储器管理单元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能缓冲USB（工作在 12Mb/s）数据传输和微控制器之间并行接口之间的速度差异,这允许微控制器以自己的速度读写USB包。
⑨ 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接与主微控制器接口。对于微控制 器,PDIUSBD12可以看成是一个有8位数据总线和1位地址线的存储设备。 PDIUSBD12支持多路复用和非多路复用的地址和数据总线。在主端点（端点 2）和局部共享存储器之间也可使用DMA（直接存储器存取）传输。它支持单周期模式和块传送模式两种DMA传输。
2 PDIUSBD12的引脚说明及典型连接
2.1 PDIUSBD12引脚说明
PDIUSBD12引脚如 图 2 所示,引脚如 表 1 所列。
图2 PDIUSBD12的引脚图
表1 PDIUSBD12引脚说明
2.2 PDIUSBD12的典型连接
PDIUSBD1与80C51的连接电路如 图 3 所示。在这个例子中, ALE始终接低电平,说明采用单独地址和数据总线配置。A0 脚接80C51的任何I/O引脚,控制是命令还是数据输入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接与PDIUSBD12的数据总线相连接,CLKOUT 时钟输出为80C51提供时钟输入。
图3 PDIUSBD12与80C51的连接电路图
3 软件设计
3.1 单片机方面软件设计
对于单片机控制程序,目前没有任何厂商提供自动生成固件（firmware）的工具,因此所有程序都 要由自己手工编制。USB单片机控制程序通常由三部分组成：第一、初始化单片机和所有的外围电路（包括PDIUSBD12）;第二、主循环部分,其任务是可以中断的;第三、中断服务程序,其任务是对时 间敏感的,必须马上执行。根据USB协议,任何传输都是由主机（host）开始的,这样,单片机作它的前台工作,等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备（这里是PDIUSBD12）,PDIUSBD12接收 到令牌包后就给单片机发中断,单片机进入中断服务程序,首先读PDIUSBD12的中断寄存器,判断 USB令牌包的类型,然后执行相应的操作。因此,USB单片机程序主要就是中断服务程序的编写。在USB单片机程序中要完成对各种令牌包的响应,其中比较难处理的是SETUP包,主要是端口0的编程。
单片机与PDIUSBD12的通信主要是靠单片机给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。 PDIUSBD12的命令字分为三种：初始化命令字、数据流命令字和通用命令字。PDIUSBD12给出了各种命令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD12的命令地址发命令,根据不同命令的要求再发送或读出不同的数据。因此,可以将每种命令做成函数,用函数实现各个命令,以后直接调用函数即可。
在编写USB的单片机程序时,需要注意：
① 单片机的中断应设置为电平触发;中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令40-45H）,以清 除中断寄存器中的中断标志。这样,PDIUSBD12的中断输出才能变回高电平,这一点非常重要。
② 在接收到Setup包后,一定要调用ACK setup命令重新使能端口0。
③ 在向IN端点写完数据后,一定调用Validate Buffer（命令FAH）,指明缓冲区中的数据有效,可以发送到主机。
④ 当读完数据后,一定调用Clear Buffer（命令F2H）,以保证可以接收新的包。
⑤ 可以通过调用Read Chip ID（命令FDH）检查PDIUSBD12是否工作。该命令要读两个字节数据。
USB初始化过程为：
① Set Address Enable;
② Set Endpoint Enable（此时LED亮）;
③ Disconnect;
④ delay（1~2 s）;
⑤ Connect（即用43h参数调用Set Mode,此时LED灭）;
⑥ Read Interrupt Register。
完成初始化工作后,就可作其它的前台工作了,并在前台判断是否有 Setup包（通过一个变量,当中断服务程序检测到有Setup包时,设置该变量）,然后执行响应的控制传输。
在调试USB单片机程序时,还要特别注意Windows对USB设备的枚举顺序：
① GetDeviceDescriptor。主机主要对Length域感兴趣,发送内容一定要正确,特别是第 2字节type一定为0x01,即Device;否则,主机将不响应,或者再重复2次后放弃。可检查一下对EP0的RX、TX的设置次序。
② SetAddress。一般为02或03。
③ 连续3次GetDeviceDescriptor,读取全部设备描述符,一般为 18 B,分为多次传输。如果不正确,主机将不响应或重复2次后放弃。
④ GetConfigDescriptor。注意第2字节一定为0x02,即config 。
⑤ GetStringDescriptor（可能没有）,根据在设备描述符中是否有 String索引而定。一般先读取LanguageID,再读取product string。
⑥ 读取全部ConfigDescriptor,次数根据描述符的大小决定（端点个数不同,描述符大小不同）,如 果不正确,主机将不响应或再重复2次后放弃。
⑦ 如果以上步骤都正确,主机将找到新设备,提示安装驱动程序;否则找到未知设备,不可用。 安装驱动程序后,以后的每次PlugIn,枚举次序与以上步骤略有不同,之后会有 SetConfiguration、GetConfiguration和GetInterface等调用。
3.2 主机方面软件设计
Windows98 提供了多种USB设备的驱动程序,但好像还没有一种是专门针对数据采集系统的,所 以必须针对特定的设备来编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数,但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事情,通常采用Windows DDK来实现。目前有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具,像 Compuware的driver works,Blue Waters的Driver Wizard等,它们能够很容易地在几分钟之内生成高质量的USB 的驱动程序。作为WIN98和WIN2K推荐的一项新技术来说,USB的驱动程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驱动程序不同。它是WDM类型的。
在调试USB设备时,可使用UsbView程序检测设备是否能被Windows枚举并配置,如果成功, 还可在该程序中查看设备描述符、配置描述符和端点描述符是否正确。之后可以使用Driver Wizard生成一个通用驱动程序,在Windows提示安装驱动程 序时,选择Driver Wizard生成的驱动程序。其实Driver Wizard生成的仅是一个Windows控制台的应用程序,它会调用安装Driver Wizard时安装在系统中的通用USB驱动程序。使用该程序就可测试设备 是否能够正确传输数据以及传输速度。该程序也可作为最终产品USB传输部分的框架;如果不能满足要求,也可用WDM重新编制驱动程序,用调试好的USB设备来开发、调试主机软件。
4 应用实例
本文介绍一个高速数据采集系统,以AD公司的ADμC812为系统控制器。该单片机本身就是高度集 成的高精度12位数据采集系统,在其片内不仅组合了可重新编程非易失性闪速/电擦除程序存储器的高性能8位（与8051兼容）MCU,还包含了高性能的自校准多通道（8个输入通道）12位ADC和两个12位 DAC,且内核与8051指令集兼容。PDIUSBD12作为 ADμC812的存储器外设,接口比较简单。需要注意的地方是引脚必须接高电平,否则将不能接收任何命令和数据;EOT_N必须通过电阻接到USB 的+5 V,以正确检测到USB连接;INT_N引脚加1个上拉电阻,+5 V接到VDD引脚;在VOUT3.3引脚加 1μF（电解电容）和0.1μF两个退耦电容。
结束语
PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件,它的SoftConnect 和GoodLink技术使开发和调试USB设备时非常方便,在性能、速度、方便性以及成本上都具有很大的优势。因此,使用PHILIPS公司的PDIUSBD12可以快速开发出高性能的 USB设备。
