【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)由單片機最小系統(tǒng)（包括時鐘電路、復位電路）、 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，正好符合單片機和 USB 芯片的電源設計。 STC89C52 單片機簡介 隨著電子技術的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機，給人類生活帶來了根本性的改變。單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成微型計算機的各功能部件像中央處理器 CPU、隨 機存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、 I/O 接口電路、定時器 /計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。由于它的結構與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設計的，故又叫單片微控制器。 單片機發(fā)展概況及發(fā)展方向 單片機的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學技術研究得到了質的飛躍，可以毫不夸張地說，它給現(xiàn)代工業(yè)領域帶來了一次新的技術革命。目前，單片機以其高可靠性、高性價比，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域得到極為廣泛的應用，并已走入普通家庭，從洗衣機、微波爐到音響 、汽車，到處都可見到單片機的蹤影。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，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。如單片機家族中的主流產(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)秀的單片機芯片，是構建我們不同的設計系統(tǒng)的最佳選擇。 基于 USB 接口的 PPT 遠程控制系統(tǒng)的設計 7 早期單片機大多結構體系與指令復雜，指令代碼與周期數(shù)不統(tǒng)一、指令運行很難實現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運行速度的提高。例如 MCS－ 51 系列單片機，時鐘頻率 12MHz 時，單周期指令運行速度僅 1 秒。雖然單片機對運行速度要求遠不如通用計算機系統(tǒng)或數(shù)字信 號處理對指令運行速度的要求，但速度的提高會帶來許多好處，并拓寬單片機應用領域。一方面可獲得很高的指令運行速度，另方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。 專用單片機是專門針對某一類產(chǎn)品系統(tǒng)要求而設計的。使用專用單片機可最大限度地簡化系統(tǒng)結構，使資源利用效率最高。在大批量使用時有可觀的經(jīng)濟效益和可靠性效益。專用單片機發(fā)展的基礎是半導體集成工藝和微電子設計技術。采用模塊化標準單元的快速設計及快速半導體集成工藝，將加速專用單片機的發(fā)展。 單片機特點及結構 本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機，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 是一個功能強大的單片機，但它只有 40 個引腳，其中 P1 是一個完整的 8 位雙向 I/O 口，此外，從 STC89C52 內(nèi)部結構圖也可看出，其內(nèi)部結構與8051 內(nèi)部結構基本一致，引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機相應引腳一致，如圖 所示。 圖 單片機引腳圖 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 遠程控制系統(tǒng)的設計 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。當作為 I／ O 口使用時，可直接連接外部 I／ O 口設備 ，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)總線分時復用口，可以驅動 8 個 TTL 負載。一般作為擴展時的地址／數(shù)據(jù)總線口使用。當 P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)復用時不 用 接上拉電阻 。 （ 4） P1 口（ ～ ）：為 8 位準雙向 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，口鎖存器必須置 1），可以驅動 4 個 TTL 負載。 （ 5） P2 口（ ～ ）：為 8 位準雙向 I／ O 口，當作為 I／ O 口使用時，可直接連接外部 I／ O 設備，可驅動 4 個 TTL 負載。一般作為擴展時地址總線的高8 位復用口。 （ 6） P3 口（ ～ ）：為 8 位準雙向 I／ O 口，可驅動 4 個 TTL 負載，是雙功能復用口。 （ 7） RST：復位輸入。 RST 一旦變成高電平，所有的 I/O 引腳就復位到“ 1”。當振蕩器正在運行時，持續(xù)給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需 12 個振蕩 器或時鐘周期。復位后應使此引腳電平為 的低電平，以保證單片機的正常工作。 （ 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)部結構圖也可看出，其內(nèi)部結構與 8051 單片機內(nèi)部結構基本一致，引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機相應引腳一致。 復位電路設計 在上電或復位過程中控制 CPU的復位狀態(tài)，這段時間內(nèi)讓 CPU保持復位狀態(tài)，而不是一上電或剛復位完畢就工作 ，防止 CPU 發(fā)出錯誤的指令，執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論使用哪種類型的單片機，總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。 單片機在啟動時都需要復位，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 系列單片機的復位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后 ，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期 (24 個振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，如圖 圖 所示。 基于 USB 接口的 PPT 遠程控制系統(tǒng)的設計 9 圖 手動按鈕復位電路 圖 上電復位電路 （ 1） 上電復位 ： STC89C52 的上電復位電路如圖所示， RST 引腳是復位信號的輸入端， 在 RST復位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個電阻到地 即可。 只要高電平的復位信號持續(xù)兩個機器周期以上的有效時間，就可以使單片機上電復位。 上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號， 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)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位， RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時， Vcc 的上升時間約為 10ms，在圖 2 的復位電路中，當 Vcc 掉電時，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，這個負電壓將 不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全 “l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器 PC 將得不到一個合適的初值，因此，CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 （ 2） 手動按鈕復位 ： 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 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 之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則 Vcc的 +5V 電平就會直接加到 RST 端。手動按鈕復位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿 足復位的 要求。 時鐘電路設計 時鐘電路是為系統(tǒng)提供時鐘脈沖的，是系統(tǒng)電路中必不可少的一部分。時序是電路控制的一部分，數(shù)據(jù)的傳輸是以時鐘脈沖為基礎的。本系統(tǒng)中使用了 12MHz 的晶振為系統(tǒng)提供時鐘信號。 時鐘電路是單片機系統(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，時鐘信號就是它所提供的動力。在單片機系統(tǒng)中時鐘信號的頻率是運行的關鍵，頻率高了或者低了都無法運行。本電路選用的晶振是 12M，因為本電路是給時間電路使用， 12M 晶振比較好計算時間。 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 遠程控制系統(tǒng)的設計 10 大器，當外接 晶振后，就構成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。其輸入管腳XTAL1 和輸出管腳 XTAL2 用于接外部晶振。電容 C7 和 C外部晶振和單片機內(nèi)部的放大器一起構成了自激震蕩電路。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。在使用外部時鐘時單片機的 XTAL2 引腳輸入外部時鐘信號，而 XTAL1 接地。 USB 接口芯片設計 接口芯片簡介 用于 USB 設備開發(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。本文對此芯片的應用作了具體設計，以 PDIUSBD12為接口芯片，以 STC89C52 為微控制器，完成了 USB 接口電路的設計。 PDIUSBD12 是一款性價比很高的 USB 器件，它通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的 DMA 傳輸。這種實現(xiàn) USB 接口的標準組件使得設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。這種靈活性減小了開發(fā)的時間，風險以及費用，通過使用已有的結構和減少固件上的投 資，從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經(jīng)濟的 USB 外設的解決方案。 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，打印設備以及人機接口設備。 PDIUSBD12 的技術可提供良好的 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 PDIUSBD12 成功地枚舉和配置后 LED 指示將一直點亮，隨后與 PDIUSBD12 之間成功的傳輸（帶應答）將關閉 LED，處于掛起狀態(tài)時，LED 將會關閉。 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。作為一個診斷工具，它對隔離故障的設備是很有用的。從系統(tǒng)測試中也可以看見該指示 LED 間歇閃爍，很好的驗證了這一特性。 PDIUSBD12 內(nèi)部包括模擬收發(fā)器、電壓調整器、 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）電壓調整器 片內(nèi)集成了一個 的調整器用于模擬收發(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。 基于 USB 接口的 PPT 遠程控制系統(tǒng)的設計 11 （ 3） PLL 片內(nèi)集成了 6M 到 48M 時鐘乘法 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）位時鐘恢復 位時鐘恢復電路使用 4X 過采樣規(guī)則，從進入的 USB 數(shù)據(jù)流中恢復時鐘，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 實現(xiàn)了全部的 USB 協(xié)議層，完全由硬件實現(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。 （ 6） TMtSoftConnec 與 USB 的連接是通過 上拉電阻將 D+（用于高速 USB 器件）置為高實現(xiàn)的。 PDIUSBD12 片內(nèi)，默認狀態(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序。