【文章內(nèi)容簡介】 B 接 口 芯 片無 線 接 收 板射 頻 發(fā) 射 手 柄 圖 系統(tǒng)框圖 如圖 所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)（包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路）、 USB接口芯片 PDIUSB1無線發(fā)射手柄、無線接收板組成，系統(tǒng)供電是由 USB 接口取電， USB 接口為直流 5V 電源，正好符合單片機(jī)和 USB 芯片的電源設(shè)計(jì)。 STC89C52 單片機(jī)簡介 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)，給人類生活帶來了根本性的改變。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件像中央處理器 CPU、隨 機(jī)存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、 I/O 接口電路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又叫單片微控制器。 單片機(jī)發(fā)展概況及發(fā)展方向 單片機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究得到了質(zhì)的飛躍，可以毫不夸張地說，它給現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。目前，單片機(jī)以其高可靠性、高性價(jià)比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化、日常生活用品等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用，并已走入普通家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響 、汽車，到處都可見到單片機(jī)的蹤影。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。如單片機(jī)家族中的主流產(chǎn)品 MCS— 51 系列，還有最近推出的 PIC 和凌陽系列都是比較優(yōu)秀的單片機(jī)芯片，是構(gòu)建我們不同的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最佳選擇。 基于 USB 接口的 PPT 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 早期單片機(jī)大多結(jié)構(gòu)體系與指令復(fù)雜，指令代碼與周期數(shù)不統(tǒng)一、指令運(yùn)行很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運(yùn)行速度的提高。例如 MCS－ 51 系列單片機(jī)，時(shí)鐘頻率 12MHz 時(shí)，單周期指令運(yùn)行速度僅 1 秒。雖然單片機(jī)對運(yùn)行速度要求遠(yuǎn)不如通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)字信 號處理對指令運(yùn)行速度的要求，但速度的提高會帶來許多好處，并拓寬單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。一方面可獲得很高的指令運(yùn)行速度，另方面，在相同的運(yùn)行速度下，可大大降低時(shí)鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。 專用單片機(jī)是專門針對某一類產(chǎn)品系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的。使用專用單片機(jī)可最大限度地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使資源利用效率最高。在大批量使用時(shí)有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性效益。專用單片機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體集成工藝和微電子設(shè)計(jì)技術(shù)。采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)單元的快速設(shè)計(jì)及快速半導(dǎo)體集成工藝，將加速專用單片機(jī)的發(fā)展。 單片機(jī)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)，它 是一種 低電壓、 低功耗、高性能微控制器，具有 8K 字節(jié)可編程可擦出只讀存儲器 。使得 STC89C52 為眾多控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 它與 MCS－ 51 指令系統(tǒng)兼容。 STC89C52 是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有 40 個(gè)引腳，其中 P1 是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口，此外，從 STC89C52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致，如圖 所示。 圖 單片機(jī)引腳圖 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 21 VCC EA/Vpp ALE/PROG PSEN RST (RXD) (TXD) (INT0) (INT1) (T0) (T1) (WR) (RD) XTAL1 XTAL2 GND 基于 USB 接口的 PPT 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 引腳功能說明如下： （ 1） VCC：供電電源。 （ 2） GND：電路地。 （ 3） P0 口（ ～ ）：為雙向 8 位 I／ O 端口。當(dāng)作為 I／ O 口使用時(shí)，可直接連接外部 I／ O 口設(shè)備 ，由于內(nèi)部沒有上拉電阻，故要接上拉電阻 。它是地址總線低 8 位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可以驅(qū)動 8 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)的地址／數(shù)據(jù)總線口使用。當(dāng) P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用時(shí)不 用 接上拉電阻 。 （ 4） P1 口（ ～ ）：為 8 位準(zhǔn)雙向 I／ O 口，它的每一位都可以分別定義為輸 入線或輸出線（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置 1），可以驅(qū)動 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 （ 5） P2 口（ ～ ）：為 8 位準(zhǔn)雙向 I／ O 口，當(dāng)作為 I／ O 口使用時(shí)，可直接連接外部 I／ O 設(shè)備，可驅(qū)動 4 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8 位復(fù)用口。 （ 6） P3 口（ ～ ）：為 8 位準(zhǔn)雙向 I／ O 口，可驅(qū)動 4 個(gè) TTL 負(fù)載，是雙功能復(fù)用口。 （ 7） RST：復(fù)位輸入。 RST 一旦變成高電平，所有的 I/O 引腳就復(fù)位到“ 1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需 12 個(gè)振蕩 器或時(shí)鐘周期。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為 的低電平，以保證單片機(jī)的正常工作。 （ 8） XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 （ 9） XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 此外，從 STC89C52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 8051 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在上電或復(fù)位過程中控制 CPU的復(fù)位狀態(tài)，這段時(shí)間內(nèi)讓 CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作 ，防止 CPU 發(fā)出錯(cuò)誤的指令，執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論使用哪種類型的單片機(jī)，總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。 單片機(jī)在啟動時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 51 系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后 ，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，如圖 圖 所示。 基于 USB 接口的 PPT 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 圖 手動按鈕復(fù)位電路 圖 上電復(fù)位電路 （ 1） 上電復(fù)位 ： STC89C52 的上電復(fù)位電路如圖所示， RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端， 在 RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個(gè)電阻到地 即可。 只要高電平的復(fù)位信號持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的有效時(shí)間，就可以使單片機(jī)上電復(fù)位。 上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號， RST端電位與 Vcc 相同， 此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落，即 RST端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST端的高電平信號必須維持足夠長的時(shí)間。上電時(shí)， Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，在圖 2 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將 不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全 “l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值，因此，CPU 可能會從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 （ 2） 手動按鈕復(fù)位 ： 手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平（ 如 圖 所示 ）。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc的 +5V 電平就會直接加到 RST 端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿 足復(fù)位的 要求。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路是為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖的，是系統(tǒng)電路中必不可少的一部分。時(shí)序是電路控制的一部分，數(shù)據(jù)的傳輸是以時(shí)鐘脈沖為基礎(chǔ)的。本系統(tǒng)中使用了 12MHz 的晶振為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。 時(shí)鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)中最重要的電路之一，它是給系統(tǒng)源源不斷的提供動力的電路，時(shí)鐘信號就是它所提供的動力。在單片機(jī)系統(tǒng)中時(shí)鐘信號的頻率是運(yùn)行的關(guān)鍵，頻率高了或者低了都無法運(yùn)行。本電路選用的晶振是 12M，因?yàn)楸倦娐肥墙o時(shí)間電路使用， 12M 晶振比較好計(jì)算時(shí)間。 STC89C52 片內(nèi)有高增益反相放C3 1uF 10k VCC RESET VCC RST GND VCC STC89C52 1uF 10k 基于 USB 接口的 PPT 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 大器，當(dāng)外接 晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。其輸入管腳XTAL1 和輸出管腳 XTAL2 用于接外部晶振。電容 C7 和 C外部晶振和單片機(jī)內(nèi)部的放大器一起構(gòu)成了自激震蕩電路。其中的電容 C7 和 C8 對頻率起到一定的微調(diào)作用，電容容量都選擇 30pF。震蕩頻率的選擇的是 12MHz 的晶振。在使用外部時(shí)鐘時(shí)單片機(jī)的 XTAL2 引腳輸入外部時(shí)鐘信號，而 XTAL1 接地。 USB 接口芯片設(shè)計(jì) 接口芯片簡介 用于 USB 設(shè)備開發(fā)的芯片通常有兩種：一種是帶 USB 接口的微控制器，另一種是純粹的 USB 接口芯片，需要 外部微控制器（ MCU）控制。 PHILIPS 公司的PDIUSBD12 芯片屬于后者。本文對此芯片的應(yīng)用作了具體設(shè)計(jì)，以 PDIUSBD12為接口芯片，以 STC89C52 為微控制器，完成了 USB 接口電路的設(shè)計(jì)。 PDIUSBD12 是一款性價(jià)比很高的 USB 器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的 DMA 傳輸。這種實(shí)現(xiàn) USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計(jì)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。這種靈活性減小了開發(fā)的時(shí)間，風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投 資，從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的 USB 外設(shè)的解決方案。 PDIUSBD12 完全符合 版的規(guī)范，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(jī)接口設(shè)備。 PDIUSBD12 的技術(shù)可提供良好的 USB 連接指示。在枚舉中 LED 指示根據(jù)通信的狀況間歇閃爍。當(dāng) PDIUSBD12 成功地枚舉和配置后 LED 指示將一直點(diǎn)亮，隨后與 PDIUSBD12 之間成功的傳輸（帶應(yīng)答）將關(guān)閉 LED，處于掛起狀態(tài)時(shí)，LED 將會關(guān)閉。 該特性為 USB 器件，集線器和 USB 通信狀態(tài)提供了用戶 友好的指示。作為一個(gè)診斷工具，它對隔離故障的設(shè)備是很有用的。從系統(tǒng)測試中也可以看見該指示 LED 間歇閃爍，很好的驗(yàn)證了這一特性。 PDIUSBD12 內(nèi)部包括模擬收發(fā)器、電壓調(diào)整器、 PLL、 Philips 串行接口引擎（ PSIE）等。 （ 1）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。 （ 2）電壓調(diào)整器 片內(nèi)集成了一個(gè) 的調(diào)整器用于模擬收發(fā)器的供電，該電壓還作為輸出連接到外部 的上拉電阻，可選擇 PDIUSBD12 提供的帶 內(nèi)部上拉電阻的軟件連接技術(shù)。 基于 USB 接口的 PPT 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 （ 3） PLL 片內(nèi)集成了 6M 到 48M 時(shí)鐘乘法 PLL，這樣就可使用低成本的 6M 晶振， EMI也隨之降低。 PLL 的工作不需要外部元件。 （ 4）位時(shí)鐘恢復(fù) 位時(shí)鐘恢復(fù)電路使用 4X 過采樣規(guī)則，從進(jìn)入的 USB 數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘，它能跟蹤 USB 規(guī)定范圍內(nèi)的抖動和頻漂。 （ 5） Philips 串行接口引擎（ PSIE） Philips SIE 實(shí)現(xiàn)了全部的 USB 協(xié)議層，完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要固件的參與。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(yàn) /產(chǎn)生， PID 校驗(yàn) /產(chǎn)生，地址識別和握手 評估 /產(chǎn)生。 （ 6） TMtSoftConnec 與 USB 的連接是通過 上拉電阻將 D+（用于高速 USB 器件）置為高實(shí)現(xiàn)的。 PDIUSBD12 片內(nèi)，默認(rèn)狀態(tài)下不與 VCC 相連。連接的建立通過外部 /系統(tǒng)微控制器發(fā)送命令來實(shí)現(xiàn)。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與 USB 建立連接之前完成初始化時(shí)序。