摘要：USB（UniversalSerialBus，即通用串行總線）是一種快速、雙向、廉價(jià)、支持熱插拔的通信接口，USB通信技術(shù)已在大多數(shù)數(shù)碼電子產(chǎn)品中獲得應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種由Philips公司的PDIUSBD12芯片和AT89S51單片機(jī)等組成的USB通信接口電路，使PC機(jī)可以通過PDIUSBD12與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
　　關(guān)鍵詞：USB、MCU、PDIUSBD12、AT89S51、原理圖、PCB
　　一緒論
　　1.1課題研究背景及意義論文
　　USB總線是通用串行總線(UniversalSerialBus)的簡(jiǎn)稱。在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設(shè)備。每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源（如I/O地址、DMA通道等）。無(wú)論是串口還是并口都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，一個(gè)接口僅支持一個(gè)設(shè)備。因此每添加一個(gè)新的設(shè)備，就需要添加一個(gè)ISA/EISA或PCI卡來支持，同時(shí)系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)才能驅(qū)動(dòng)新的設(shè)備。USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于PC機(jī)與外圍設(shè)備的互聯(lián)。和傳統(tǒng)的串并口相比USB總線具有低成本，使用簡(jiǎn)單，支持即插即用，易于擴(kuò)展，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，已被廣泛地用在PC機(jī)及嵌入式系統(tǒng)上。USB接口還具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，使用方便等特點(diǎn)。USB1.1協(xié)議規(guī)定的全速傳輸速率為12Mbit/s，而USB2.0協(xié)議所規(guī)定的高速傳輸速率為480Mbit/s，非常適合有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。但USB技術(shù)還不是很成熟，特別是高速設(shè)備。
　　通用串行總線是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，是一些PC大廠商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各PC廠家所支持�，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對(duì)USB的支持USB是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。目前USB數(shù)據(jù)總線已經(jīng)在各種計(jì)算機(jī)中得到普及，并成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。
　　現(xiàn)在的USB生產(chǎn)廠商很多，幾乎所有的硬件廠商都有USB的產(chǎn)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EZ-USB、SIEMENS的C541U以及MOTOLORA、NationalSemiconductors等公司的產(chǎn)品；另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBDII(IC接口)、PDIUSBPIIA、PDIUSBDI2(并行接口)，NationalSemiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。前一種由于開發(fā)時(shí)需要單獨(dú)的開發(fā)系統(tǒng)，因此開發(fā)成本較高；而后一種只是一個(gè)芯片與MCU接口實(shí)現(xiàn)USB通信功能，因此成本較低，而且可靠性高。它是由Compaq、Hp、Intel、Lucent(朗訊)、Microsoft、NEC和Philips七家公司聯(lián)合推出的新一代標(biāo)準(zhǔn)口總線，該總線是一種連接外圍設(shè)備的機(jī)外總線，最多可連接127個(gè)設(shè)備，為微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充和配置外部設(shè)備提供了方便，不僅解決了I/O插口不夠的問題，而且建立了一條連接和訪問外設(shè)的方法，這些方法可以有效的減少總體成本，減少硬件沖突。因此，我們能夠利用USB總線接口比較容易的實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于USB的種種優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了USB打印機(jī)、攝像機(jī)等產(chǎn)品。盡管目前USB接口的應(yīng)用主要集中在電腦的周邊外設(shè)，但是USB產(chǎn)品進(jìn)入工控領(lǐng)域?qū)⑹潜厝坏内厔?shì)，所以本課題的研究是具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義的論文。
　　
　　二、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
　　目前，作為8位單片機(jī)市場(chǎng)占有率第一的Atnel公司，己經(jīng)宣布停產(chǎn)。曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限的AT89C51，取而代之的是AT89S51。與AT89C51相比，AT89S51在許多方面進(jìn)行了改進(jìn)，如采用0.354cm新工藝、成本更低等，但最重要的改進(jìn)是增加了ISP(系統(tǒng)可編程)功能。ISP為單片機(jī)的實(shí)踐和開發(fā)帶來了極大的方便和靈活性。利用ISP，不需要編程器就可以進(jìn)行單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，單片機(jī)芯片可以直接焊接到電路板上，調(diào)試結(jié)束即可，甚至可以遠(yuǎn)程在線升級(jí)或改變單片機(jī)中的程序。
　　
　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　　在微處理器和USB接口的選擇上主要有兩種方式。一種方案是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel-SGS-Tomson、Cy-pressPhilips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)較好的方案。但是由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購(gòu)買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。另一種方案是采用普通單片機(jī)加專用USB通信芯片。從成本上考慮，采用第2種方案，選用Atmel公司的AT89S51單片機(jī)和飛利浦公司的PDIUSBD12芯片構(gòu)成系統(tǒng)。AT89S51價(jià)格便宜，具有ISP功能。PDIUSBD12是一款高性價(jià)比的USB器件，開發(fā)設(shè)計(jì)和調(diào)試并不困難。
　　基于USB接口的硬件組成包括USB通信接口芯片、AT89S51單片機(jī)、外設(shè)PC機(jī)，其硬件總體結(jié)構(gòu)見圖2.1。AT89S51單片機(jī)發(fā)出一個(gè)指令，經(jīng)過USB接口芯片，由PC機(jī)執(zhí)行。
　　
　　圖2.1硬件總體結(jié)構(gòu)
　　PDIUSBD12是飛利浦公司推出的一款高性價(jià)比的USB固件，完全符合USB1.0的協(xié)議規(guī)范，自帶并行接口，可與多種MCU相結(jié)合，其硬件連接原理如圖2.2所示。另外，它還支持本地的DMA(直接存儲(chǔ)器存取)傳輸，為微控制系統(tǒng)與PC機(jī)進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸提供了解決方案。
　　PDIUSBD12所具有的掛起低功耗功能，可以滿足USB電源管理的要求，可使其應(yīng)用于使用總線供電的外部設(shè)備。此外，它集成了內(nèi)部上拉電阻(用于軟件控制總線的開關(guān))、連通指示等功能論文。
　　
　　圖2.2AT89S51與PDIUSBD12連接的原理圖
　　AT89S51控制器與PDIUSBD12通過8位并行總線連接(采用地址總線與數(shù)據(jù)總線復(fù)用的方式)，采用MCU與PDIUSBD12結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的高速傳輸，使系統(tǒng)變得形式靈活、編程簡(jiǎn)潔、成本低廉。
　　2.2整體框圖設(shè)計(jì)
　　
　　圖2.3整體框圖
　　本課題的整體框圖如圖2.3所示，外圍硬件系統(tǒng)資源包括：串口通信、6位動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示、8位流水燈、蜂鳴器、4×4矩陣鍵盤、溫度傳感器、液晶顯示器接口、PDIUSBD12芯片接口等。
　　每個(gè)元件與單片機(jī)都有單獨(dú)的電路連接，均以單片機(jī)為控制核心，使單片機(jī)能獨(dú)立的控制每個(gè)元件的正常工作。再通過USB接口（PDIUSBD12芯片），上位機(jī)能與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)發(fā)送信息到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)信息控制外圍電路的工作；外圍設(shè)備發(fā)送信息到單片機(jī)，單片機(jī)反饋到上位機(jī)，在上位機(jī)的控制界面上顯示狀態(tài)信息。
　　串口通信的介紹：串行接口是一種可以將接受來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時(shí)可將接受的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU的器件。一般完成這種功能的電路，我們稱為串行接口電路。串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。
　　它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
　　三、硬件設(shè)計(jì)論文
　　3.1系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)
　　
　　圖3.1單片機(jī)和PDIUSBD12芯片的連接圖
　　3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括其供電系統(tǒng)，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。本系統(tǒng)中單片機(jī)供電電路和時(shí)鐘電路都做了簡(jiǎn)化處理，單片機(jī)的系統(tǒng)復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)電路如圖3.2所示，其中：
　　1、單片機(jī)采用外接晶振的方法，是外接晶振，頻率為11.0592MHz；
　　2、復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位；
　　3、PDIUSBD12使用單片機(jī)的外部中斷0。在程序里將單片機(jī)和PDIUSBD12設(shè)置為相同的中斷方式，即電平中斷。然后由PDIUSBD12自動(dòng)清除中斷腳上的低電平，以便接受下次中斷。
　　
　　
　　圖3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)
　　1.時(shí)鐘電路描述
　　在單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1、XTAL2引腳外界石英晶體（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了自激蕩震蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，圖中電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值30Pf，晶振的頻率為11.0592MHz。
　　2.復(fù)位電路描述
　　為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，
　　復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。復(fù)位電路要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，再開機(jī)的瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C1的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降，RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作，該電路的電阻和電容參數(shù)為：C1為10uF、R1為10k、R2為1k。
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