【導讀】通用串行總線USB是一種新型的微機總線接口規(guī)范。越多的應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本文介紹了一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法，采用PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12與單片機AT89C51進行通信，并和PC機通信而編。該系統(tǒng)用傳統(tǒng)的USB總線取代了RS232串行總線，通過對USB協(xié)議。行了硬件設計和軟件編程，并在此設計的基礎上給出相應的原理圖。編寫USB設備驅動程序;三是充分了解D12的主要功能特點，并編寫出應用程序。領悟USB接口的優(yōu)勢。KEYWORDS：USBbus；datacollection；MCU；fireware；WDM；devicedriveprogram；

　　

【正文】 USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器，允許使用現(xiàn)存的體系結構使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間 、風險和成本。該器件使開發(fā)成本低且高效的 USB外圍設備的一種有效途徑。 PDIUSDB12完全符合 ，也能適應大多數(shù)設備類規(guī)范的設計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設備等。因此， PDIUSBD12非常適合做很多外圍設備?，F(xiàn)在很多用 SCSI實現(xiàn)的很多設備如果用 USB來實現(xiàn)可以直接降低成本。 PDIUSBD12還集成了 SoftConnect、 GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統(tǒng)實現(xiàn)時節(jié)省成本，同時在外圍設備上很容易實現(xiàn)更高級的 USB功能。 PDIUSBD12固件程序的編寫 USB設備啟動流程如下： 1. USB設備接入 USB口，發(fā)出連接 USB命令； 2. 主機發(fā)出讀設備描述符兩次； 3. 主機根據(jù)設備描述符 — 廠商 ID、產(chǎn)品 ID，啟動相應設備驅動程序； 4. 設備驅動程序初始化 USB設備； ①讀設備描述符； ②讀配置描述符； ③選擇接口、端點（管道），確定傳輸方式。 USB設備在正常使用以前，必須由主機配置設備。主機一般會從 USB設備獲取配置信息后再確定此設備有哪些功能。作為配置操作的一部分，主機會設備設備的配置值，如果必要的話 會選擇合適的接口備選設備。在發(fā)出連接 USB命令后，主機先讀取設備描述符，然后發(fā)出設置 USB地址 SETUP包，設置 USB地址后，進行主機客戶驅動與設備初始化。其余端點依此類推。在其頭文件里需定義 USB規(guī)范中的各種描述符格式，包括設備描述表、配置描述表、接口描述表、端點描述表、字符串描述表以及描述表類型。這樣，在發(fā)送配置聯(lián)合描述表時，主機 USBD可以根據(jù)描述類型標識區(qū)分各種分描述表。 固件的文件結構 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件有著如 下的積木式 結構： 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件 的文件結構 固件設計的目標就是使 PDIUSBD12在 USB上達到最大的傳輸速率。外圍設備可使用PDIUSBD12 在 USB上傳輸數(shù)據(jù)，這些設備的 CPU要忙于處理許多設備控制和數(shù)據(jù)處理等任務。PDIUSBD12 的固件設計成完全的中斷驅動，當 CPU處理前臺任務時， 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構，同時簡化了編程和調試。 后臺 ISR中斷服務程序和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)，例如 PDIUSBD12的批量輸出端點可使用循環(huán)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當 PDIUSBD12從 USB收到一個數(shù)據(jù)包，那么就對 CPU產(chǎn)生一個中斷請求， CPU立即響應中斷在 ISR中固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12內部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后清零 PDIUSBD12的內部緩沖區(qū)，以使能接收新的數(shù)據(jù)包 CPU可以繼續(xù)它當前的前臺任務直到完成然后返回到主循環(huán)檢查循環(huán)緩沖區(qū)內是否有新的數(shù)據(jù)并開始其它的前臺任務。 圖 32 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件 結構 由于這種結構，主循環(huán)不關心數(shù)據(jù)是來自 USB串口還是并口，它只檢查循環(huán)緩沖區(qū)內需要處理的新數(shù)據(jù)。這樣主循環(huán)程序專注于數(shù)據(jù)的處理，而 ISR能夠以最大可能的 速度進行數(shù)據(jù)的傳輸。相似的控制端點在數(shù)據(jù)包處理時采用了同樣的概念。 ISR接收和保存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的控制傳輸并設置相應的標志寄存器。主循環(huán)向協(xié)議處理程序發(fā)出請求。由于所有的標準器件級別和廠商請求都是在協(xié)議處理程序中進行處理， ISR得以保持它的效率。 硬件提取層 ：這是固件中的最底層代碼，它執(zhí)行對 D12和硬件 I/O相關訪問。 主循環(huán)：發(fā)送 USB請求、讀入數(shù)據(jù)、控制采集通道和處理USB總線事件等等 標準請求 廠商請求 中斷服務程序 PDIUSBD12 命令接口 硬件提取層 PDIUSBD12命令接口 ：為了進一步簡化 PDIUSBD12的編程，固件定義了一套壓縮了所有訪問 PDIUSBD12功能的命令接口，以對 PDIUSBD12芯片進行操 作。 中斷服務程序 ：這部分代碼的處理由 PDIUSBD12產(chǎn)生的中斷，在中斷服務程序中，它將數(shù)據(jù)從 PDIUSBD12的內部 FIFO取回到 CPU存儲器并建立正確的事件標志，以通知主循環(huán)程序進行處理。 ISR通過設定事件標志“ EPPFLAGS”和 Setup包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)“ CONROL_XFER”與主循環(huán)進行通信。 主循環(huán) ：主循環(huán)在初始化完單片機 CPU和 PDIUSBD12芯片后，檢查事件標志，并進入對應的子程序進行進一步的處理，在開發(fā)套件中，它還包含人機接口的代碼。 協(xié)議層 ：協(xié)議層處理標準的 USB器件請求和特殊的廠商請求。 固件的編程實現(xiàn) 底層函數(shù) 最底層為兩個面向硬件電路的函數(shù) :outportb( )， inportb( )，用以完成 CPU和 D12之間的數(shù)據(jù)傳輸，這是所有其它函數(shù)的基 礎。具體代碼如下 : void outportb(unsigned char port， unsigned char val) { unsigned char xdata *ext_address； ext_address=0xff00 + port； *ext_address = val； } unsigned char inportb(unsigned char port) { unsigned char c； unsigned char xdata *ext_address； ext_address=0xff00 + port； c = *ext_address ； return c； } 命令接口 在 D12的數(shù)據(jù)手冊中定義了一套壓縮了所有訪問 PDIUSBD12功能的命令集，命令 接口部分就是將各命令用函數(shù)的形式加以實現(xiàn)。對應的函數(shù)主要有 : void D12_SetAddressEnable(unsigned char bAddress， unsigned char bEnable)； //設置地址使能 void D12_SetEndpointEnable(unsigned char bEnable)； //設置端點使能 void D12_SetMode(unsigned char bConfig， unsigned char bClkDiv)； //設置模式 unsigned short D12_ReadInterruptRegister(void)； //讀中斷寄存器 unsigned char D12_SelectEndpoint(unsigned char bEndp)； //選擇端點 unsigned char D12_ReadLastTransactionStatus(unsigned char bEndp)； //讀最后處理狀態(tài) unsigned char D12_ReadEndpointStatus(unsigned char bEndp)； //讀端點 狀態(tài) void D12_SetEndpointStatus(unsigned char bEndp， unsigned char bStalled)； //設置端點 狀態(tài) void D12_SendResume(void)； //發(fā)送恢復 unsigned short D12_ReadCurrentFrameNumber(void)； //讀取當前幀號 unsigned short D12_ReadChipID(void)； //讀 D12芯片 ID unsigned char D12_ReadEndpoint(unsigned char endp， unsigned char len， unsigned char * buf)； //讀取端點數(shù)據(jù) unsigned char D12_WriteEndpoint(unsigned char endp， unsigned char len， unsigned char * buf)； //寫端點數(shù)據(jù) void D12_AcknowledgeEndpoint(unsigned char endp)； //設置端點應答 中斷服務程序 這部分代碼處理由 PDIUSBDI2產(chǎn)生的中斷， ISR從 PDIUSBD12收集數(shù)據(jù)，當數(shù) 據(jù)充足時，通知主循環(huán)已經(jīng)準備好等待處理。它將數(shù)據(jù)從 PDIUSBDI2的內部 FIFO取回到 CPU存儲器，并建立正確的事件標志以通知主循環(huán)程序。在 ISR函數(shù)的 入口固件使用ReadInterruptRegister()來決定中斷源，根據(jù)中斷源進入相應的子程序進行 處理。 中斷服務處理的部分代碼如下 : //USB中斷處理 usb_isr() interrupt 0 { DISABLE； fn_usb_isr()； ENABLE； } void fn_usb_isr() { unsigned int i_st； = 1； i_st = D12_ReadInterruptRegister()； if(i_st != 0) { if(i_st amp。 D12_INT_BUSRESET) { bus_reset()； = 1； } if(i_st amp。 D12_INT_EOT) dma_eot()； if(i_st amp。 D12_INT_SUSPENDCHANGE) = 1； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP0IN) ep0_txdone()； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP0OUT) ep0_rxdone()； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP1IN) ep1_txdone()； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP1OUT) ep1_rxdone()； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP2IN) main_txdone()； if(i_st amp。 D12_INT_ENDP2OUT) main_rxdone()； } = 0； } //A/D轉換中斷處理 adc_isr() interrupt 1 { DISABLE； = 1； ENABLE； } 主循環(huán) 主循環(huán)檢查事件標志并進入對應的子程序進行進一步的處理。在主循環(huán)中， MCU首先對其所有端口、存儲區(qū)、定時器和中斷服務程序進行初始化，之后 MCU將重 新連 接 USB，包括將 Softe Connect寄存器設置為 ON。這些過程是很重要的，它確保了在 MCU準備好服務 D12之前， D12不會進行操作。初始化后，進入循環(huán)，輪詢各種狀態(tài)。當輪詢到了檢測建立包時，它確認建立標志在之前是否被中斷服務程序所置位。如果建立標 志被置位，它將向協(xié)議層發(fā)送一個器件請求進行處理。 /* 數(shù)據(jù)采集子程序 */ void adc_handler(void) { unsigned char ADC_DATA； ADC_DATA=IN_PORT； D12_WriteEndpoint(3， 1， amp。ADC_DATA)； IN_PORT=0x00； if() { DISABLE； = 0； ENABLE； ADC_IN_ID =0x7FF8+GenEpBuf[3]； } } /* 主程序循環(huán) */ while(TRUE){ if(){ //數(shù)據(jù)采集處理 DISABLE； = 0； ENABLE； if() adc_handler()； } if () { //設備復位中斷處理 DISABLE； = 0； ENABLE； D12SUSPD = 1； } if () { //掛起改變中斷處理 DISABLE； = 0； ENABLE； if(D12SUSPD == 1) { //掛器處理 D12SUSPD = 0； P0 = 0xFF； P1 = 0xFF； P2 = 0xFF； P3 = 0xFF； D12SUSPD = 1； PCON |= 0x02； while (1)； } } if (){ //Setup包中斷處理 DISABLE； = 0； ENABLE； control_handler()； D12SUSPD = 1； } } // End Main Loop