【正文】 接 口 描 述 符 接 口 描 述 符端 點描 述 符接 口 描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符— 第 9 頁 共 56 頁 — 設(shè)備描述符描述了一個 USB 設(shè)備的總體信息，它在枚舉過程中主機從設(shè)備讀取的第一個描述符。接口描述符由 9 個字節(jié)組成，分為 9 個字段。 但是只有類請求是不能滿足眾多 USB 廠商的需求的，所以， USB 協(xié)議允許一個供應(yīng)商為它的設(shè)備自定義特殊的請求，此類請求稱為廠商請求。本章為本設(shè)計下面內(nèi)容的展開奠定了基礎(chǔ)。一旦存滿，串行接口引擎 SIE 立刻對數(shù)據(jù)進行處理，包括同步模式識別、并／串轉(zhuǎn)換、位填充 /不填充、 CRC 校驗、 PID 確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收 /發(fā)器通過 D+、 D發(fā)送至 PC。 內(nèi)嵌通用微控制器的 USB控制芯片可以說是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴展了 USB功能。當(dāng) ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A， B， C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 OE: 允許輸出端。 （ 6）當(dāng) EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 PDIUSBD12完全符合 ，它還符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格：成像類、海量存儲器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機接口設(shè)備。 圖 34 PDIUSBD12 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 說明： 模擬收發(fā)器：集成的收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與 USB 電纜相連。該模塊的功能包括：同步模式的識別；并行 /串行轉(zhuǎn)換；位填充 /解除填充； CRC 校驗 /產(chǎn)生； PID 校驗 /產(chǎn)生；地址識別和握手評估 /產(chǎn)生。在枚舉中，LED 指示根據(jù)通信的狀況間歇閃爍。這就允許微控制器以其自己的速率對 USB 信息包進行讀寫。在 DMA 控制器編程之后，本地 CPU 在初始化傳輸時，將 PDIUSBD12 中的 DMA 使能位置位。 INT_N 是 USB 中斷請求腳，發(fā)出 USB 中斷請求； GL_N 是 GooDLink 指示燈，在調(diào)試過程中非常有用，在通信時會不停閃爍。此外 89051的多 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線 PO可直接與 PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連， CLKOUT時鐘輸出為 89C51提供時鐘輸入。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。它的操作方式與硬件聯(lián)系緊密，包括 USB設(shè)備的連接 USB協(xié)議、中斷處理等，它不是單純的軟件，而是軟件和硬件的結(jié)合，開發(fā)者需要對端口、中斷和硬件結(jié)構(gòu)非常熟悉。在 USB單片機程序中，要完成對各種令牌包的響應(yīng)，其中比較難處理的是 SETUP包，主要是端口 0的編程。主機一般會從 USB設(shè)備獲取配置信息后再確定此設(shè)備有哪些功能。 PDIUSBD12 的固件設(shè)計成完全的中斷驅(qū) 動，當(dāng) CPU處理前臺任務(wù)時， USB的傳輸可在后臺進行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時簡化了編程和調(diào)試。主循環(huán)向協(xié)議處理程序發(fā)出請
。 — 第 24 頁 共 56 頁 — 固件結(jié)構(gòu) 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件有著如下 圖 42的積木式結(jié)構(gòu)： 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件結(jié)構(gòu) 圖 42 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件結(jié)構(gòu) 固件設(shè)計的目標(biāo)就是使 PDIUSBD12在 USB上達到最大的傳輸速率。 PDIUSBD12固件程序的編寫 USB設(shè)備啟動流程如下： 1. USB設(shè)備接入 USB口，發(fā)出連接 USB命令； 2. 主機發(fā)出讀設(shè)備描述符兩次； 3. 主機根據(jù)設(shè)備描述符 —廠商 ID、產(chǎn)品 ID，啟動相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序； — 第 23 頁 共 56 頁 — 4. 設(shè)備驅(qū)動程序初始化 USB設(shè)備； ① 讀設(shè)備描述符； ② 讀配置描述符； ③ 選擇接口、端點（管道），確定傳輸方式。主機首先要發(fā)令牌包給 USB設(shè)備（這里是 PDIUSBD12）， PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機發(fā)中斷。 ABS文件由 OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的 Hex文件，以供調(diào)試器 dScope51或 tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM中。 圖 41 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 固件的開發(fā) Keil C51是美國 Keil Software公司出品的 51系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)， 與匯編相比， C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 89C51的 ALE和 PD12的 ALE相接，表示采用單獨地址和數(shù)據(jù)總線配置。多路地址 /數(shù)據(jù)總線 ALE 接單片機的 ALE 腳，這樣使用傳送指令可以與 D12 接口，對 D12 操作就象對 D12 操作一樣，此時 忽略 A0（命令口和數(shù)據(jù)口地址線）的輸入。典型的，對 DMA控制器的傳輸模式，字節(jié)計數(shù)寄存器和地址計數(shù)器進行正確的編程。該特性降低了現(xiàn)場支持和熱線的成本。 SoftConnectTM是 PHILIPS 半導(dǎo)體一項尚未獲批準的專利技術(shù)。 P L L 鎖 相 環(huán)位 時 鐘 恢 復(fù) 電 路串 行 接 口 引 擎模 擬 收 發(fā) 器3 . 3 VD +1 . 5 k? 6 M H z 內(nèi) 部 R A M存 儲 管 理 單 元并 口 和 D M A 接 口電 壓 調(diào) 整 器D + D — 第 17 頁 共 56 頁 — 位時鐘恢復(fù)：位時鐘恢復(fù)電路使用 4X 過采樣規(guī)則，從進入的 USB 數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時鐘，能跟蹤 USB 規(guī)定范圍內(nèi)的抖動和頻漂。 D12 芯片的主要特點包括： （ 1）符合 版本規(guī)范； （ 2）可與任何外部微控制器 /微處理器實現(xiàn)高速并行接口 (2MB/s)； （ 3）采用 GoodLink 技術(shù)的連接指示器，在通信時使 LED 閃爍； （ 4）主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸； （ 5）在批量 和等時模式下均可實現(xiàn) 1Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率； （ 6）完全自治的直接內(nèi)存存取 DMA 操作。 這種實現(xiàn) USB接口的標(biāo)準組件使得設(shè)計者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。 （ 4）在 ST端給出一個至少有 100ns寬的正脈沖信號。 EOC: EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 ,當(dāng) EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行 A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng) EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 — 第 14 頁 共 56 頁 — 換結(jié)束；否則，表明正在進行 A/D轉(zhuǎn)換。但其優(yōu)點是用戶可以選擇任何一種己熟悉的微控制器，而且這種芯片價格也相對便宜。而不需要外接微控制器的芯片又可以分為專門為 USB設(shè)計的芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。主要包括 5 個組成部分：中央處理器選用 AT89C51 芯片，完成各部分控制功能和 USB 傳輸協(xié)議； A/D 轉(zhuǎn)換器和接口電路主要完成數(shù)據(jù)采集，并讀入 MCU 處理；復(fù)位電路完成對MCU 的上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)視；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機間的通信電路采用 USB 接口。 wLength 表示 長度，如果傳輸?shù)氖且唤M數(shù)據(jù)，則這個長度的值表示要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 USB 規(guī)范定義了 11 種標(biāo)準請求，所有設(shè)備都必須對這 11 種請求作出響應(yīng)，即使當(dāng)主機沒有給設(shè)備分配一個地址或者沒有配置設(shè)備。 接口描述符描述了一個配置中的特定接口。但每一個設(shè)備可以有幾個配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號碼。 ⑥ 讀取 USB 設(shè)備描述符 主機分配給設(shè)備地址后，通過這個地址主機讀取該設(shè)備描述符，確認 USB 設(shè)備的屬性。當(dāng)主機發(fā)現(xiàn)一個新的設(shè)備時，會要求集線器建立與設(shè)備的通信通道，即設(shè)備的端點 0，控制傳輸端點。如果需要雙向傳數(shù)據(jù)，需要另建立一個管道。端點 0 只可以采用控制傳送的方式。 USB定義的聯(lián)絡(luò)信號如下： ① ACK(Acknowledge)：表示主機或設(shè)備已成功接收數(shù)據(jù)。 事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號 每一個 USB 傳輸包含一個或多個事務(wù)，每一個事務(wù)又包含一到三個信息包。端點號可以是 0—15，方向可以是 IN（設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給主機）或者 OUT（主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備）。 Philips公司提供了 PDIUSBD1 2的開發(fā)包，包括軟件和硬件兩部分。 軟件方面分如下幾部分 : 1. 單片機固件 : 本系統(tǒng)中的單片機固件采用 C語言編寫，使用 KeilC 51編譯器為開發(fā)工具。USB總線傳輸距離有限 。 3. 共享式接口 :USB端口支持多個外設(shè)的連接，通過 USB集線器，一個 USB主控制器可以連接多達 126個外設(shè)?；?USB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用 USB總線的上述優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，易導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。驅(qū)動程 序以 WDM為模型，以 DDK為開發(fā)工具，以 IRP為消息傳播載體，來實現(xiàn)與 Windows系統(tǒng)底層核心機制相交互的功能。軟件設(shè)計可分為三部分：一是充分了解 D12 的主要功能特點，為滿足D12 在 USB 上的最大傳輸速率而編寫固件程序，用 C51 語言編寫：二是了解 USB 的設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用。硬件設(shè)計主要解決了控制器與主機通信問題 ,數(shù)據(jù)采樣、模擬輸出 、 I/O擴展等電路設(shè)計以及它們之間的接口。除此之外 ， 論文還介紹了設(shè)備驅(qū)動程 序的開發(fā) ， 并在文章結(jié)尾對 USB 的應(yīng)用前景進行了探索。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 ，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； ，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 能力 、綜合歸納資料的能力； ； 、研究方法和手段的運用能力； ； 。軟件編程主要分為三部分 :一是為滿足獲得最大傳輸速率和運行效率的固件程序 編程 ； 二是為用戶提供的以動態(tài)鏈接庫形式封裝的功能函數(shù) ； 三是提供演示和測試的 控制面板程序 ， 并為系統(tǒng)提供了兩個應(yīng)用實例。該系統(tǒng)采用 USB總線取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集總線 ,通過對 USB協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的理解 ,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要解決的是 D12 與單片機的接口電路的設(shè)計。 USB設(shè)備需要依據(jù) USB協(xié)議進行數(shù)據(jù)的解包與打包，底層硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間需要以驅(qū)動程序為橋梁。受計算機— 第 2 頁 共 56 頁 — 插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差 。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。對用戶來說，只需要等待幾秒鐘， USB外設(shè)的安裝就會完成。 當(dāng)然 ,USB總線還存在許多缺陷，比如 480Mb/s速率不及 IEEE1394的六分之一 。配合其它輔助芯片和單片機固件完成輸入模擬信號的采集、存儲和向 PC主機的傳輸。具體的采樣數(shù)值也可以寫入 “記事本 ”文件中，進而可以用其它專門軟件進行處理。每個 USB 設(shè)備有一個唯一的地址，這個地址是在設(shè)備連上主機時由主機分配的，而設(shè)備 中的每個端點在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點號，這個端點號是在設(shè)備設(shè)計時被給定的。控制傳輸是唯一使用雙向消息管道的傳輸，其他傳輸都是使用單方向的流管道。但是聯(lián)絡(luò)信號不是僅僅在聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包中，有些數(shù)據(jù)信息包中也包含聯(lián)絡(luò)信號。下面分別介紹一下 4 種 USB 傳輸類型的傳輸結(jié)構(gòu)： 控制傳輸 控制傳輸用于在設(shè)備初次連接時對器件進行配置，以及對設(shè)備的狀態(tài)進行實時檢測，還有在設(shè)備配置完成后用于特殊傳輸目的。 批量傳輸 批量傳輸包含一個或者多個傳輸事務(wù)，其傳輸是單方向的，即所有的事務(wù)都必須是輸入或輸出事務(wù)。 USB 集線器負責(zé)監(jiān)測設(shè)備的連接情況，而 USB 主機會通過集線器輪詢地查詢設(shè)備。 ⑤ 地址分配 當(dāng)主機接收到有設(shè)備對默認地址（ 00H）來響應(yīng)的時候，就確認有設(shè)備連接，主機對設(shè)備分配一個空閑的地址（如 02H），以后設(shè)備就只對 02H 地址進行響應(yīng)。設(shè)備描述符包含了整個設(shè)備的信息以及設(shè)備支持 的配置號碼，每一個設(shè)備只能由一個設(shè)備描述符。配置描述符由 9 個字節(jié)組成，分為 8 個字段。 USB 請求 USB 規(guī)范定義了 3 種請求，分別是標(biāo)準請求（ Standard Request）、類請求（ Class Request）和廠商請求（ Vendor Request）。 wValue 為值，它根據(jù)不同的請求，以字節(jié)來定義，例如，設(shè)備請求為 Get Descriptor(06H)， wValue 為 01H 時，表明要發(fā)送設(shè)備描述— 第 10 頁 共 56 頁 — 符。 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 基于 USB 總線