朱 靜，錢 敏，楊翠軍

（蘇州大學 電子信息學院微電子系，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

通用串行總線是一種高效、快速、雙向和支持熱插拔的新型接口，可實現(xiàn) PC機與外設(shè)的通信。同時，它使用了一種易于擴展的結(jié)構(gòu)，理論上可接127個設(shè)備[1]。當前，越來越多的電子產(chǎn)品中都會涉及到USB接口。因此，對基于USB接口的通信系統(tǒng)的研究是非常必要的。目前USB3.0協(xié)議已經(jīng)制定并將大行其道。

基于USB接口設(shè)計了符合USB1.1協(xié)議的控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過 PC機的應(yīng)用程序界面控制操作，USB接口負責單片機與PC機的通信。總體設(shè)計方案為：選用 Atmel公司的 MCU芯片STC89C52RC和Philips公司的USB控制接口芯片PD12，進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程。硬件設(shè)計主要是 PD12與單片機間的接口電路及外圍電路單元(如LCD、按鍵)，軟件分為3部分：①固件，控制PD12識別USB數(shù)據(jù)流、輸入輸出等；②USB功能設(shè)備驅(qū)動程序，介于硬件和應(yīng)用軟件之間，提供橋梁作用；③客戶應(yīng)用程序，完成頂層軟件對底層硬件的控制。

1 USB協(xié)議及PD12簡介

USB是一種數(shù)據(jù)傳輸總線協(xié)議。首先，USB系統(tǒng)被定義為3部分： ①USB的連接；②USB的主機；③USB的設(shè)備。主機在USB通信中居于核心地位，它與USB設(shè)備的通信模型如圖1所示。主機和設(shè)備都被劃分成不同的層次[2]，每個層次的實現(xiàn)對USB有不同的要求。

圖1 USB通信模型之間的基本信息流

USB數(shù)據(jù)流是協(xié)議中的重點內(nèi)容。從邏輯上講，USB數(shù)據(jù)的傳輸是通過虛擬管道進行的。實際上，主機與設(shè)備的通信過程如下：設(shè)備驅(qū)動程序首先調(diào)用USB驅(qū)動接口(USB Driver Interface)發(fā)出I/O請求(IRP, I/O Request Packet)；USB驅(qū)動程序收到該請求后，調(diào)用主控制器接口，將IRP轉(zhuǎn)化為USB的基本傳輸；通過主控制器將該傳輸解析成總線操作并以數(shù)據(jù)包(Packet)的形式輸出。

USB發(fā)展經(jīng)歷了1.0、1.1、2.0、3.0版本，由于本項目中數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，故采用符合USB1.1的PD12芯片。它是USB控制接口芯片，集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器及電壓調(diào)整器[3]。是一款帶有并行總線的USB器件，支持本地DMA傳輸。這些特點在系統(tǒng)實現(xiàn)時能節(jié)約成本，外設(shè)能實現(xiàn)更高級的USB功能。PD12需單片機配合才能完成USB通信，單片機利用讀寫外部存儲器方式來執(zhí)行該芯片的通信功能命令。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖及介紹

基于 USB接口的控制系統(tǒng)硬件組成包括單片機、USB接口芯片及一些外圍電路元件(如數(shù)碼管、LED發(fā)光管、蜂鳴器等)。如圖2所示是系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖，主要由5個部分組成：PC主機用于對后臺的控制；USB接口是主機和外設(shè)之間連接的橋梁；USB接口芯片完成數(shù)據(jù)通信功能，并讀入微控制器中處理；微控制器選用STC89C52RC芯片，完成各部分控制功能和USB傳輸協(xié)議；外圍電路元件用來檢驗系統(tǒng)的通信是否成功。

圖2 系統(tǒng)的組成框

3 固件設(shè)計

固件是運行于單片機中的前臺控制程序，采用KeilC51編譯生成。為了使PD12在USB上的數(shù)據(jù)傳輸速率盡可能大，固件被設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動模式，前后臺分開工作，并通過事件標志和 Setup包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換[4]。通常，USB固件程序包含3部分：①初始化整個電路；②主循環(huán)部分；③中斷服務(wù)程序。

固件軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊[4]如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)固件的結(jié)構(gòu)

硬件提取層：它是固件最低層的代碼，完成對單片機I/O口和硬件接口進行操作。

PD12命令接口：對PD12的所有功能進行訪問并操作，簡化PD12編程。

中斷服務(wù)程序：對 PD12發(fā)出的中斷請求進行處理，從 PD12內(nèi)部讀數(shù)據(jù)到存儲器，并設(shè)置事件標志，以便主循環(huán)進一步處理。

標準請求和廠商請求：對協(xié)議中各種標準請求以及用戶添加的特殊請求進行處理。

主循環(huán)：首先初始化微控制器單元的所有端口、存儲器和中斷服務(wù)程序，然后進入循環(huán)，輪詢各種狀態(tài)并進行相應(yīng)的處理。

該程序結(jié)構(gòu)具有高度的可移植性以及很好的可擴展性，它按功能將復雜的過程分成多個簡單的模塊處理，采用事件標志和緩沖存儲，有效地將各個模塊聯(lián)系起來，能夠完成微控制器和 PC機之間的USB通信。

4 USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

由于Windows中沒有現(xiàn)成的驅(qū)動程序支持設(shè)備的使用，因此必須編寫與 PD12數(shù)據(jù)通信相匹配的功能層設(shè)備驅(qū)動程序。

設(shè)備驅(qū)動程序提供操作系統(tǒng)與硬件的接口，支持用戶與應(yīng)用程序間的信息交換。軟件程序在Visual C++6.0的環(huán)境下完成，使用Compuware公司的 DriverStudio工具生成驅(qū)動程序框架[5]，用戶對其進行修改并加入自己的功能代碼，大大縮短了開發(fā)的時間。

采用 Windows驅(qū)動程序模型(WDM, Windows Driver Model)，其架構(gòu)如圖4所示。它是一種基于Windows平臺的設(shè)備驅(qū)動程序模型，采用靈活的分層處理方法，不僅可以接收來自其上層驅(qū)動程序提供的相關(guān)服務(wù)，而且可以通過發(fā)送IRP請求與其他驅(qū)動程序進行通信[6]。

圖4 WDM型的USB驅(qū)動程序架構(gòu)

USB驅(qū)動程序的工作流程如下：首先，用戶應(yīng)用程序調(diào)用Windows API函數(shù)，向驅(qū)動程序發(fā)出請求，并將相關(guān)數(shù)據(jù)打包成IRP，IO管理器捕獲IRP并進行相應(yīng)處理；然后，IO管理器向USB功能設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送IRP包，請求功能設(shè)備驅(qū)動程序進行相應(yīng)處理；最后，功能設(shè)備驅(qū)動程序處理完接收到的 IRP，設(shè)好相關(guān)環(huán)境后將其傳給更底層的驅(qū)動程序，由總線驅(qū)動程序完成對硬件的操作，并將結(jié)果返回。中間層驅(qū)動程序相當于過濾器，可不做任何事，只是向下傳遞IRP。

5 USB設(shè)備應(yīng)用程序設(shè)計

USB設(shè)備應(yīng)用程序的作用是為主機與 USB外設(shè)提供通信橋梁，實現(xiàn)主機對 PD12的管理與操作，為用戶提供友好的人機交互界面。它是系統(tǒng)與用戶的接口，不能直接去訪問USB設(shè)備，必須通過調(diào)用驅(qū)動程序來完成對外圍設(shè)備的控制和通信。

應(yīng)用程序在Visual C++6.0環(huán)境中開發(fā)實現(xiàn)，使用它提供的微軟基礎(chǔ)類(MFC, Microsoft Foundation Class)來編寫程序，MFC對Win32 API函數(shù)進行封裝，提供了大量的類庫和代碼支持[7]，可實現(xiàn)大部分API功能，大大簡化了應(yīng)用程序的編程。

應(yīng)用程序主要向硬件發(fā)送數(shù)據(jù)或命令。它與驅(qū)動程序的通信主要是通過驅(qū)動程序提供的函數(shù)來實現(xiàn)的，過程如下：應(yīng)用程序首先調(diào)用 CreateFile函數(shù)打開 USB設(shè)備，獲得設(shè)備句柄；然后利用該句柄，應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)與WDM驅(qū)動程序進行通信；最后在退出應(yīng)用程序之前，應(yīng)調(diào)用CloseHandle函數(shù)來關(guān)閉該USB設(shè)備[8]。

圖5為PC機與USB設(shè)備進行通信的應(yīng)用程序簡單界面。首次將前臺被控端與 PC機相連需安裝驅(qū)動程序，用戶基于該界面在 PC端進行各功能的操作，如在文本框中輸入字符、點擊相關(guān)按鈕等，設(shè)備端可以作出相應(yīng)的反應(yīng)。調(diào)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)中傳輸無誤，程序運行正?？煽俊?/p>

圖5 應(yīng)用程序簡單界面

6 結(jié)語

提供了一種基于USB接口的控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過實際的硬件實現(xiàn)和軟件調(diào)試，數(shù)據(jù)能夠在該系統(tǒng)中快速無誤地傳輸，可應(yīng)用在各種電子產(chǎn)品中實現(xiàn)與PC機進行準確的數(shù)據(jù)傳輸[9]。但在硬件通信協(xié)議方面，可以選用符合 USB2.0協(xié)議的接口芯片，加快通信的速度，使圖像傳輸?shù)雀咚偻ㄓ嵆蔀榭赡?。在軟件方面，設(shè)計的方式和源代碼的實現(xiàn)可以采用更優(yōu)化的方法。相信隨著USB總線技術(shù)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣闊。

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