【正文】 USB接口在單片機通信中的設計應用畢業(yè)論文目錄0 引言 1 選題現狀、研究意義以及發(fā)展趨勢 1 系統實現功能 21 USB技術 4 USB總線概述 4 USB總線簡介 4 USB總線的優(yōu)點 4 USB協議簡介 5 USB物理體系結構 5 USB設備邏輯結構 6 USB傳輸類型 8 USB低層通信協議 8 USB接口技術 102 系統硬件電路設計 11 設備電路系統概述 11 51系列單片機最小系統 11 AT89S52單片機的介紹和選用 11 AT89S52與PDIUSBD12構建的最小系統 15 AT89S52和外圍器件 16 PDIUSBD12外圍電路及其與單片機的連接設計 17 PDIUSBD12介紹 17 USB外圍電路及其與單片機連接 21 擴展功能電路的設計 22 PS/2串行接口的擴展設計 23 Flash存儲器的擴展設計 23 LPT并行接口的擴展設計 253 系統軟件設計 27 固件程序的設計與實現 27 描述符 27 固件程序的結構 29 驅動程序的設計與實現 32 驅動程序概述 32 WDM設備驅動程序結構 33 驅動程序開發(fā)的工具軟件 33 用Win Driver開發(fā)驅動程序 34 系統應用程序開發(fā) 35 應用程序的實現的功能 35 利用Win Driver實現應用程序 354 系統調試 37 系統硬件測試 37 系統軟件調試及系統測試 37結論 39致謝語 40參考文獻 41附錄一：原理圖 42附錄二：程序 43附錄三：英文原文 53附錄四：英文譯文 63III袁小棠：應用電子技術教育專業(yè)畢業(yè)設計 0 引言 選題現狀、研究意義以及發(fā)展趨勢USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線，是現在非常流行的一種快速、雙向、廉價、可以進行熱插拔的接口，在現在的每一臺PC機上都可以找到一對USB接口。USB是近年來應用在PC領域的新型接口技術,是一些PC大廠商,如 Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準,自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各 PC廠家所支持。現在生產的PC幾乎都配備了USB接口,Microsoft 的Windows9NT以及Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。在這之前，個人電腦的外部接口規(guī)格十分“繁華”，例如，鍵盤要接AT口或PS/2的接口，鼠標要接COM口或PS/2接口，Modem要接另一個COM口,打印機要接Parallel Port(并口)，而搖桿則要跟MIDI裝置共搶Game/MIDI口,每個外設都是這樣單獨地與電腦連接。如果各位繞到電腦背后看看，一定可以看到一堆慘不忍睹的“糾結”現象，這正是USB想解決的一個問題。 　　除了線路紊亂與安裝模糊混淆外，這些線路都是不可以隨意插拔的，必須在開機前裝好才能正常使用。如果在電腦工作期間插上或拔出，雖然有時電腦還是可以繼續(xù)工作，但大多數時候電腦會停止響應，或是插入的裝置無法工作，甚至死機，嚴重的還會燒壞主板接口。 USB就是要解決上述這些問題，它是一種新規(guī)格的外接串聯口，提出該規(guī)格的廠商希望用USB來取代現有種種的外接設備接口。它還具備連接單一化、軟件自動“偵測”以及熱插拔的功能，也就是說，在電腦不關機的情況下，就可以將設備連接到電腦上或是將設備從電腦上拔下來拿走。在操作系統的支持下，還可以不用干預自動安裝驅動程序，可以說是做到了真正的即插即用。隨著大量支持USB的個人電腦的普及，USB逐步成為PC機的標準接口已經是大勢所趨。幾乎三年內生產的主板都有2個或以上的USB標準接口，支持USB的外設越來越多，像USB鍵盤和USB鼠標、USB調制解調器、USB音箱 、USB打印機、USB掃描儀、USB游戲桿、USB Hub、USB顯示器、USB數碼相機、USB攝像頭、USB硬盤等等設備。現在的USB生產廠商很多，幾乎所有的硬件廠商都有USB 的產品。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU 集成在芯片里面的，如Intel 的8X930AX、CYPRESS的EZUSB、SIEMENS的C541U以及MOTOLORA、National Semiconductors 等公司的產品。另一種就是純粹的USB接口芯片,僅處理USB 通信，如PHILIPS 的PDIUSBD11（I2C 接口）、PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口）、National Semiconductor的USBN960USBN960USBN9604等。前一種由于開發(fā)時需要單獨的開發(fā)系統，因此開發(fā)成本較高；而后一種只是一個芯片與MCU接口實現USB通信功能，因此成本較低，而且可靠性高。本文詳細介紹了利用89s52與PDIUSBD12相連的USB接口電路的應用。51系列的芯片在目前來說是性價比最高的單片機,而且供貨充足,有多家公司生產，而且51系列芯片的開發(fā)是最容易的,開發(fā)周期短，特別是國內的院校大都采用了51系列來學習單片機系統。然而,使用51系列芯片,在要求高傳輸率的場合根本無法滿足要求,這樣在51系列芯片的串口通信中會形成一個速度瓶頸。AT89S52是MCS51系列兼容單片機，工作電壓46V，通常封裝為DIP40或PLCC44，工作頻率24MHZ。增強的部分主要有：8K FLASH程序存儲器(8051用PROM，無法編程寫入，導致實際上多數用無ROM的8031外擴的EPROM。8K FLASH一般已經夠用，通常無需外擴程序存儲器，理論可寫入次數1000)、256B RAM數據存儲器(8051為128)、3個定時計數器(8051為2個)、WDT(8051沒有)、ISP(8051沒有)。利用89S52與PDIUSBD12相連的USB接口電路能大大提高89S52的通信速率。而PDIUSBD12通常用作微控制器系統中實現與微控制器進行通信的高速通用并行接口,因此具有廣闊的應用前景。這種實現USB接口的標準組件,使得我們可以在各種不同類型微控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活性不但減小了開發(fā)的時間、風險以及費用,而且利用USB總線技術的即插即用、熱插拔等特性,可以開發(fā)出高性能的USB接口,從而用最快捷的方法實現最經濟的USB外設的解決方案，因此，研究意義較為深遠。 系統實現功能系統是一個人機接口設備（HID），主要完成的是USB設備的基本功能，即主機對設備的列舉和中斷方式的數據傳輸。這兩點是USB設備所必須擁有的功能，可以稱作USB設備的基本功能。設備主體由AT89S52和PDIUSBD12以及維持它們正常工作所必需的外圍元件組成，設備主體接上主機之后，能夠單獨完成設備的識別和配置，并可以實現數據通信功能。為了豐富設備的功能，對系統還做了一定的擴充，還擴展了8位撥碼開關輸入和8位發(fā)光二極管LED輸出，另外還實現以下設備功能：1) 簡單的演示設備用于演示HID設備配置過程和中斷傳輸方式下基本數據交換過程。2) PS/2接口擴展電路擴展PS/2接口，可實現將PS/2鍵盤和PS/2鼠標轉換為USB設備使用。3) Flash存儲器擴展利用SamsungK9F2808芯片（16MB的Flash存儲器芯片，數據字寬8位）擴展為移動存儲器設備。4) LPT并行接口擴展保留了LPT并行接口，可用于并口打印機信號到USB打印機信號的轉換或者其它類型的數據傳輸擴展。以上幾種擴展不可能同時實現，設備可在上電后由一個2位的撥碼開關選擇自己配置哪種設備。 單片機控制器USB接口芯片 Flash存儲器芯片輸入輸出模塊LPT并行接口PS/2串行接口 設備系統結構框圖[1] 1 USB技術 USB總線概述 USB總線簡介USB(Universal Serial Bus)的中文含義是通用串行總線。早先的微機系統中，外設與CPU的連接存在接口標準各自獨立、互不兼容、無法共享的問題，并且安裝、配置也很麻煩。這不僅使外設日益多樣化的發(fā)展趨勢與系統(I/O端口、IRQ)有限性的矛盾更加突出，而且給用戶對外設的連接和使用帶來極大不便，因此，迫切需要新的通用型外設標準出臺。為了實現整個計算機系統中總線的一致性，以Intel公司為主，并聯合Compaq，HewlettPackard，Lucent，Microsoft，NEC以及Philips共七家公司共同開發(fā)的一種快速的、雙向的、同步傳輸的并可以熱拔插的新型通用串行總線，簡稱USB總線。 USB總線的優(yōu)點 隨著各種類型的USB外設(如USB閃存盤、USB視頻頭、USB鼠標等)的陸續(xù)出現，USB通信的優(yōu)點越來越廣泛的被人們所熟知，將外設連接到計算機時，USB接口成為優(yōu)先的選擇，不管是使用外設的用戶或是開發(fā)USB軟硬件的設計者，USB都有讓雙方滿意的特性。根據USB總線規(guī)范的定義，USB總線主要具有以下優(yōu)點:1)方便最終用戶的使用(1)電纜和連接器具有唯一的型號。(2)對最終用戶隱藏了電氣細節(jié)，例如總線終結。(3)設備自動識別，自動安裝驅動程序和配置。(4)支持動態(tài)接入和動態(tài)配置。2)工作負荷和應用范圍廣(1)支持傳輸速率從幾Kb/s至幾Mb/s的設備。(2)同一組總線上可以同時支持同步和異步傳輸類型。(3)支持對多個設備的同時操作(多連接)。(4)支持多達127個物理外設。(5)支持在主機和設備間多個數據和消息流的傳輸。(6)具有較小的協議開銷，總線利用率較高。3)同步帶寬(1)可以為外設提供確定的帶寬和很小的時延。(2)同步負荷可以使用總線上全部帶寬。4)靈活性(1)可以有很多不同大小的分組，并允許在一定范圍內選擇設備的緩沖區(qū)。(2)通過支持不同的分組緩沖區(qū)和時延要求，支持不同數據傳輸速率的設備。(3)提供了用于控制緩沖區(qū)的流控功能。5)穩(wěn)定性(1)協議中包含錯誤檢測機制。(2)支持動態(tài)接入和插出(熱插拔)。6)與PC工業(yè)協同作用(1)符合PC即插即用體系結構。(2)對現存操作系統接口產生極大影響。7)成本低廉(1)組件與電纜價格便宜。(2)低速模式()更加經濟。(3)利用了商用技術。8)易于升級[10] USB協議簡介 USB物理體系結構USB總線設備以星型的拓撲結構實現與主機的物理連接。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。為主機提供附加功能的設備稱為功能模塊。為了防止出現環(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。復合設備根HUB主機設備設備HUB設備設備HUB設備設備 USB物理總線拓撲結構USB的電纜有4根線，兩根傳送的是十5V電源，另外兩根是數據線。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。 USB電纜信號定義編號信號名稱顏色注釋1VBUS紅色電源線2D白色數據3D+綠色+數據4GND黑色地線 USB設備邏輯結構 USB的設備可以分成多個不同類型，同類型的設備可以擁有一些共同的行為特征和工作協議，這樣可以使設備驅動程序的編寫變得簡單一些。USB協議規(guī)范中定義了USB的設備類型，比如音頻、通信、HID、HUB等設備類。，USB設備的物理連接不影響這個邏輯視圖。 USB邏輯結構每個USB設備內有一個或多個邏輯連接點，稱為端點(Endpoint)，每個端點指定下面的傳輸類型之一:控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和等時傳輸。在USB協議規(guī)范中用4位地址標識端點地址，每個設備最多有16個端點。所有設備都有一個端點0傳輸，用于配置和控制各設備。管道(Pipe)實現了在主機的一個內存緩沖區(qū)和設備的端點之間的數據傳輸，主機USB系統軟件和設備的端點0之間的連接稱為缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配、包大小、管道類別以及數據流向。管道分為流管道(Stream Pipe)和消息管道(Message Pipe)。流管道傳輸的數據包的內容不具有USB要求的結構，它是單向傳輸的；流管道支持批量、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發(fā)請求給USB設備，然后在適當的方向上傳輸數據，最后是到達一個狀態(tài)階段。為了保證三個階段的數據傳輸，消息管道定義了一個數據結構使命令可靠