基于STC89C52芯片的USB接口低功耗設(shè)計(jì)方案

作者：張學(xué)峰;陳瑾;翟從鴻;彭文超;朱家俊

為解決51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行總線（USB）的通信問(wèn)題，以PDIUSB12芯片為基礎(chǔ)，選擇51單片機(jī)中的STC89C52為示例，設(shè)計(jì)了一款USB的接口電路，解決了多款51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的USB通信困難的問(wèn)題。

引言

USB因其使用方便、傳輸速度快、連接靈活而受到用戶和計(jì)算機(jī)廠商的廣泛青睞。微控制器（MCU）在與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信時(shí)大多依靠USB來(lái)實(shí)現(xiàn)。在MCU中，51單片機(jī)是國(guó)內(nèi)使用最廣的單片機(jī)之一，但是由于多款51單片機(jī)無(wú)法直接與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)USB通信，而給許多用戶開發(fā)和使用帶來(lái)不便。本文以51單片機(jī)中的典型代表STC89C52和恩智浦半導(dǎo)體公司的PDIUSB12為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的USB接口電路，解決了MCU和計(jì)算機(jī)的USB通信問(wèn)題。本方案具有價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、無(wú)需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路硬件設(shè)計(jì)

1.1 芯片簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52和PDIUSB12接口芯片為基礎(chǔ)而搭建。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能8位CMOS微處理器，具有經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，主要有以下功能特點(diǎn)：擁有靈活的8 KB Flash程序存儲(chǔ)器和512 B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并含有32位I/O口和內(nèi)置的4 KB EEPROM，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口；掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止；最高運(yùn)作頻率35 MHz，是一種常用性價(jià)比較高的MCU。

USB接口芯片采用的PDIUSB12是一種高性能USB接口器件，集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器。它支持本地的DMA傳輸，能夠與外部的微處理器實(shí)現(xiàn)2 Mb/s的高速并行接口，集成了320 B的多配置FIFO存儲(chǔ)器，在塊傳輸模式下有1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)與USB相連，多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸［1］。可以把PDIUSB12、MCU與計(jì)算機(jī)連接，本設(shè)計(jì)中與計(jì)算機(jī)相連的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 硬件電路

由STC89C52和PDIUSB12構(gòu)成的USB接口電路圖如圖2所示，PDIUSB12的8位并行數(shù)據(jù)分別與STC89C52的P0口連接；ALE表示地址鎖存功能，與GND相連，關(guān)閉地址信息鎖存；CS_N表示片選功能，與GND相連，芯片一直處于工作狀態(tài)；SUSPEND與GND相連，掛起功能失效；中斷請(qǐng)求引腳INT_N與MCU的外部中斷INT0相連，低電平時(shí)有效；RD_N和WR_N為控制信號(hào)，分別與單片機(jī)P3.3口和P3.4口相連；地址位A0與單片機(jī)P3.5口相連，當(dāng)A0為高電平時(shí)表示單片機(jī)發(fā)出命令指令，當(dāng)A0為低電平時(shí)表示單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)指令；DMA請(qǐng)求引腳DMREQ懸空；DMA應(yīng)答引腳DMACK_N低電平時(shí)有效，它與VCC相連無(wú)DMA應(yīng)答；可編程時(shí)鐘輸出DMACK_N懸空［2］。

USB設(shè)備有兩種供電方式：總線供電和自供電方式，為了方便使用、減少外圍電路的復(fù)雜程度，本文選擇了總線供電方式。USB接口有4個(gè)引腳，分別是5 V的VCC口、GND、數(shù)據(jù)口D+和D-。LED燈D2與USB的VCC口和GND相連，當(dāng)系統(tǒng)與USB接口連接時(shí)，D2燈亮。數(shù)據(jù)口D+、D-用于通信，也可通過(guò)D+、D-的電位狀態(tài)來(lái)判斷系統(tǒng)是否被計(jì)算機(jī)識(shí)別。當(dāng)電位差接近GND時(shí)，表示系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接未成功；當(dāng)電位差接近VCC時(shí)，表示系統(tǒng)已做好準(zhǔn)備可以與計(jì)算機(jī)通信。也可以通過(guò)GL_N腳的LED燈D1來(lái)進(jìn)行判斷：當(dāng)D1間歇閃爍，表示系統(tǒng)正在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)D1一直點(diǎn)亮，表示已成功完成識(shí)別，可以通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)51單片機(jī)和PDIUSB12的USB系統(tǒng)而言，其核心部分是程序設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動(dòng)軟件部分、固件程序部分和應(yīng)用軟件部分。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)軟件利用Windows自帶的驅(qū)動(dòng)軟件，使用HID系統(tǒng)接口協(xié)議，省去了驅(qū)動(dòng)軟件的開發(fā)過(guò)程。因此固件程序和應(yīng)用軟件程序是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

2.1 USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)通信過(guò)程

PDIUSB12擁有PSIE（Philips串行接口引擎）功能，PSIE實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，并完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要軟件的參與。該模塊的功能包括同步模式的識(shí)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(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的通信，需要在USB設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí)進(jìn)行枚舉過(guò)程［3］，也就是讓計(jì)算機(jī)識(shí)別與設(shè)置USB設(shè)備、設(shè)備與主機(jī)之間的通信通過(guò)控制傳輸模式進(jìn)行。其過(guò)程主要如下：

（1）當(dāng)USB設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí)，USB設(shè)備處于上電狀態(tài)，單片機(jī)和PDIUSB12上電。在PDIUSB12芯片內(nèi)部的D+、D-上集成有1.5 k？贅的上拉電阻，默認(rèn)狀態(tài)下此上拉電阻不與VCC相連。上電后，若將D+拉至高電平，根據(jù)集線器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)變化，識(shí)別出有高速設(shè)備接入；若上拉電阻將D-拉至高電平，識(shí)別出有低速設(shè)備接入。本系統(tǒng)設(shè)定的是高速USB設(shè)備。在MCU完成初始化操作中，設(shè)置D+為高電平。

（2）當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)USB設(shè)備已經(jīng)接入并判斷出是高速設(shè)備還是低速設(shè)備后，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)送Set_Port_Feature請(qǐng)求給集線器用以管理端口USB設(shè)備，并將D+、D-置低電平狀態(tài)（即復(fù)位狀態(tài)），持續(xù)10 ms后回到通信狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)發(fā)送完Set_Port_Feature后，會(huì)不斷向集線器發(fā)送Get_Port_Status請(qǐng)求，以查詢USB設(shè)備是否完成復(fù)位功能。當(dāng)集線器完成復(fù)位后，USB設(shè)備處于空閑狀態(tài)，等待計(jì)算機(jī)發(fā)送新的指令。USB設(shè)備和計(jì)算機(jī)傳輸?shù)哪J(rèn)地址是0和端點(diǎn)0。

（3）計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)送Set_Address請(qǐng)求向USB設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址。此后計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的所有通信都通過(guò)這個(gè)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）地址分配完畢后，計(jì)算機(jī)從新地址獲取設(shè)備描述符。設(shè)備描述符中規(guī)定了一個(gè)或多個(gè)配置描述符，計(jì)算多次發(fā)送Get_Descriptor（）命令來(lái)讀取這些配置描述符。設(shè)備描述符包括端點(diǎn)0的最大包長(zhǎng)度、設(shè)備支持配置和個(gè)數(shù)、設(shè)備類型、PID、VID等。計(jì)算機(jī)收到后發(fā)送0 B數(shù)據(jù)包作為應(yīng)答。

（5）計(jì)算機(jī)讀完設(shè)備描述符后對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，此時(shí)計(jì)算機(jī)端口會(huì)彈出窗口，展示發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的信息、產(chǎn)商、產(chǎn)品描述、型號(hào)等。

（6）計(jì)算機(jī)從描述符中得到足夠的信息之后開始為設(shè)備安裝驅(qū)動(dòng)。加載驅(qū)動(dòng)后，計(jì)算機(jī)發(fā)送Set_Configration（）命令請(qǐng)求為設(shè)備選擇一個(gè)合適的配置，至此USB枚舉過(guò)程結(jié)束［4］。此時(shí)，若計(jì)算機(jī)向USB發(fā)送某一數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)通過(guò)USB口傳送給PDIUSB12，經(jīng)PDIUSB12交由MCU進(jìn)行處理，處理完畢后其結(jié)果經(jīng)USB接口返還給上位機(jī)軟件顯示出來(lái)。至此，實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)的最基本通信。

2.2 固件程序設(shè)計(jì)

2.2.1 固件結(jié)構(gòu)

固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖3所示。在硬件提取層中首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行底層設(shè)置和識(shí)別，主要是對(duì)PDIUSB12和MCU的I/O口進(jìn)行識(shí)別和加載的過(guò)程；PDIUSB12命令接口包含若干子程序命令，需要時(shí)可對(duì)子命令進(jìn)行直接調(diào)用；中斷服務(wù)程序（ISR）的主要功能是當(dāng)PDIUSB12發(fā)送中斷請(qǐng)求時(shí)，接收傳來(lái)的數(shù)據(jù)并設(shè)定標(biāo)志傳給主循環(huán)程序；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備處理表示對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行處理；廠商請(qǐng)求處理表示對(duì)用戶添加的廠商請(qǐng)求進(jìn)行處理［5］；主循環(huán)主要是處理用戶按鍵、I/O口等用戶自定義功能和接收各模塊的數(shù)據(jù)處理的功能。

2.2.2 PDIUSB12接口命令

該模塊包含PDIUSB12的所有子程序，當(dāng)需要時(shí)只要從中直接調(diào)用即可。下面列舉其中幾個(gè)主要功能：

INT16U D12_ReadChipID（void）//讀取芯片ID

void D12_SetEndpointEnable（INT8U bEnable）

//設(shè)置端點(diǎn)使能

void D12_SetMode（INT8U bConfig，INT8U bClkDiv）

//模式設(shè)置

void D12_SetDMA（INT8U bMode）//DMA工作方式設(shè)置

INT16U D12_ReadInterruptRegister（void）

//讀取中斷寄存器值

INT8U D12_SelectEndpoint（INT8U bEndp）//端點(diǎn)選擇

INT8U D12_ReadEndpointStatus（INT8U bEndp）

//讀取端點(diǎn)狀態(tài)

INT8U D12_WriteEndpoint（INT8U endp，INT8U len，

INT8U*buf）//寫入數(shù)據(jù)

void D12_AcknowledgeEndpoint（INT8U endp）//答應(yīng)setup

在該模塊下的大多函數(shù)都是D12開頭的。其詳細(xì)功能就不一一介紹，可參閱PDIUSB12數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2.3 應(yīng)用軟件及程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件是將計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后再返回給計(jì)算機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。

以計(jì)算機(jī)將發(fā)送給MCU的數(shù)字進(jìn)行+1操作為例，實(shí)現(xiàn)該功能的應(yīng)用程序如下：

if（bEPPflags.bits.ep2_rxdone）

{

bEPPflags.bits.ep2_rxdone=0；

D12_WriteEndpoint（5，EP2_PACKET_SIZE，EpBuf）；

}

本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)多功能調(diào)試助手作為上位機(jī)軟件，這是一款集串口/USB/網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、進(jìn)制轉(zhuǎn)換、字模與數(shù)碼管字型碼制作、常用校驗(yàn)值計(jì)算、UNICODE碼轉(zhuǎn)換、位圖輸出C文件等眾多功能于一身的綜合型調(diào)試軟件。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出來(lái)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)論

本文研究了基于STC 51單片機(jī)和PDIUSB12的USB接口設(shè)計(jì)，以STC89C52為示例提出了整體研究方案。該方案采用HID系統(tǒng)接口協(xié)議，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其性能穩(wěn)定、使用方便、性價(jià)比高，可作為STC 51單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信接口使用。同時(shí)也可為其他USB接口電路的研究提供解決思路。
編輯：hfy