摘要 USB作為一種新型的接口技術，以其簡單易用、速度快等特點而備受青睞。本文簡單介紹USB 接口的特點和PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12，并詳細說明USB軟硬件開發過程中 應注意的問題。
關鍵詞 USB USB調試 USB枚舉順序 接口技術
引言
USB是近年來應用在PC領域的新型接口技術，是一些PC大廠商，如 Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設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準，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在生產的PC幾乎都配備了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。
USB的主要優點：
�、� 使用方便。連接外設不必再打開機箱；允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。
�、� 速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb/s；提供低速方式，速率為1.5 Mb/s�？鄢糜诳偩�狀態控制和錯誤檢測等數據傳輸，最大理論速度也能 達到1.2 Mb/s和9.6 Mb/s。
�、� 連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設備。連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。
�、� 獨立供電。USB接口提供了內置電源。
現在的USB生產廠商很多，幾乎所有的硬件廠商都有USB 的產品。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、National Semiconductors等公司的產品；另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口），National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。前一種由于開發時需要單獨的開發系統，因此 開發成本較高；而后一種只是一個芯片與MCU接口實現USB通信功能，因此成本較低，而且可靠性高。本文主要介紹PHILIPS公司的PDIUSBD12器件。
1 PDIUSBD12芯片特點和內部結構
PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統并與微控制器通過高速通 用并行接口進行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現一個 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微控 制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發時間、風險和成本， 是開發低成本且高效的USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規范，也能適應大多數設備類規范的設計，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，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器（ Zip驅動器）和數碼相機等�，F在用SCSI實現的很多設備如果用 USB來實現可以直接降低成本。
PDIUSBD12掛起時的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI 、OnNOW和USB電源管理設備的要求。低功耗工作允許實現總線供電的外圍設備。
PDIUSBD12還集成了像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實現時節省成本，同時在外圍設備上很容易實現更高級的 USB功能。
1.1 主要特性
◇ 符合USB 1.1協議規范；
◇ 集成了SIE、FIFO存儲器、收發器和電壓調整器的高性能USB接口芯片；
◇ 適應大多數設備類規范的設計；
◇ 與任何微控制器/微處理器有高速（2MB/s）的并行接口；
◇ 完全自動DMA操作；
◇ 集成了320 B的多配置FIFO存儲器；
◇ 主端點有雙緩存配置，增加吞吐量，容易實現實時數據傳輸；
◇ 在塊傳輸模式下有1MB/s的數據傳輸率，在同步傳輸模式下有 1Mb/s的數據傳輸率；
◇ 具有總線供電能力，有非常好的EMI性能；
◇ 在掛起時有可控制的LazyClock輸出；
◇ 可通過軟件控制USB總線連接SoftConnect；
◇ 在USB傳輸時有閃亮的USB連接指示燈GoodLink；
◇ 時鐘頻率輸出可編程；
◇ 符合ACPI、OnNOW和USB電源管理要求；
◇ 具有內部上電復位和低電壓復位電路；
◇ 有SO18和TSSOP28封裝；
◇ 能在－40~＋85 ℃工業級工作；
◇ 片內8kV靜電保護；
◇ 雙電壓工作：(3.3±0.3）V或擴大的5 V電壓范圍（3.6~5.5 V）；
◇ 多中斷模式，方便塊傳輸和同步傳輸。
1.2 內部結構
PDIUSBD12的內部框圖如 圖 1 所示。
圖1 PDIUSBD12內部結構框圖
�、� 模擬收發器。集成的收發器直接通過終端電阻與USB電纜接口。
�、� 電壓調整器。片上集成的1個3.3 V電壓調整器為模擬收發器供電，也提供連接到外部1.5 kΩ上拉電阻的輸出電壓。作為選擇，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉電阻的SoftConnect技術。
�、� PLL。片上集成1個6~48 MHz的倍頻PLL（鎖相環），允許使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低頻晶振而減小。PLL的工作不需要外部器件。
�、� 位時鐘恢復。位時鐘恢復電路用4倍過采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時鐘，能跟蹤USB規范中指出的信號抖動和頻率漂移。
�、� PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實現USB協議層�？紤]到速度，它是全硬件的， 不需要固件（微程序）介入。這個模塊的功能包括：同步模式識別、并 /串轉換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定。
�、� SoftConnect。高速設備與USB的連接是靠把D＋通過1個1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來建立的。在PDIUSBD12中，這個上拉電阻是集成在芯片 內的，缺省是沒有連接到VDD，這個連接是靠外部 MCU發一個命令來建立的。這使得系統微處理器可以在決定建立 USB連接之前完成初始化。重新初始化USB總線連接也可以不用拔掉電纜來完成。
�、� GoodLink。GoodLink是靠一個引腳接發光二極管實現的。在 USB設備枚舉時LED指示燈將立即閃亮；當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時， LED指示燈將會始終亮；經過PDIUSBD12的USB數據傳輸過程中， LED將一閃一閃，傳輸成功后LED熄滅；在掛起期間，LED熄滅。這種特性可以使我們知道 PDIUSBD12的狀態，方便電路調試。
�、� 存儲器管理單元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能緩沖USB（工作在 12Mb/s）數據傳輸和微控制器之間并行接口之間的速度差異，這允 許微控制器以自己的速度讀寫USB包。
�、� 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接與主微控制器接口。對于微控制 器，PDIUSBD12可以看成是一個有8位數據總線和1位地址線的存儲設備。 PDIUSBD12支持多路復用和非多路復用的地址和數據總線。在主端點（端點 2）和局部共享存儲器之間也可使用DMA（直接存儲器存�。﹤鬏�。它支持單周期模式和塊傳送模式 兩種DMA傳輸。
2 PDIUSBD12的引腳說明及典型連接
2.1 PDIUSBD12引腳說明
PDIUSBD12引腳如 圖 2 所示，引腳如 表 1 所列。
圖2 PDIUSBD12的引腳圖
表1 PDIUSBD12引腳說明
2.2 PDIUSBD12的典型連接
PDIUSBD1與80C51的連接電路如 圖 3 所示。在這個例子中， ALE始終接低電平，說明采用單獨地址和數據總線配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳，控制是命令還是數據輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數據總線相連接，CLKOUT 時鐘輸出為80C51提供時鐘輸入。
圖3 PDIUSBD12與80C51的連接電路圖
3 軟件設計
3.1 單片機方面軟件設計
對于單片機控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成固件（firmware）的工具,因此所有程序都 要由自己手工編制。USB單片機控制程序通常由三部分組成：第一、初始化單片機和所有的外圍電路 （包括PDIUSBD12）；第二、主循環部分，其任務是可以中斷的；第三、中斷服務程序，其任務是對時 間敏感的，必須馬上執行。根據USB協議，任何傳輸都是由主機（host）開始的，這樣，單片機作它 的前臺工作，等待中斷。主機首先要發令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD12），PDIUSBD12接收 到令牌包后就給單片機發中斷，單片機進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷 USB令牌包的類型，然后執行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就是中斷服務程序的編寫。在USB單片機程序中要完成對各種令牌包的響應，其中比較難處理的是SETUP包，主要是端口0的編程。
單片機與PDIUSBD12的通信主要是靠單片機給PDIUSBD12發命令和數據來實現的。 PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數據流命令字和通用命令字。PDIUSBD12給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發命令，根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。因此，可以將每種命令做成函數，用函數實現各個命令，以后直接調用函數即可。
在編寫USB的單片機程序時，需要注意：
�、� 單片機的中斷應設置為電平觸發；中斷后一定要讀上次傳輸狀態寄存器（命令40-45H）,以清 除中斷寄存器中的中斷標志。這樣，PDIUSBD12的中斷輸出才能變回高電平，這一點非常重要。
�、� 在接收到Setup包后，一定要調用ACK set up命令重新使能端口0。
�、� 在向IN端點寫完數據后，一定調用Val i date Buffer（命令FAH），指明緩沖區中的數據有效，可以發送到主機。
�、� 當讀完數據后，一定調用Clear Buffer（命令F2H），以保證可以接收新的包。
�、� 可以通過調用Read Chip ID（命令FDH）檢查PDIUSBD12是否工作。該命令要讀兩個字節數據。
USB初始化過程為：
�、� Set Address Enable；
�、� Set Endpoint Enable（此時LED亮）；
�、� Disconnect；
�、� delay（1~2 s）；
�、� Connect（即用43h參數調用Set Mode，此時LED滅）；
�、� Read Interrupt Register。
完成初始化工作后，就可作其它的前臺工作了，并在前臺判斷是否有 Setup包（通過一個變量，當中斷服務程序檢測到有Setup包時，設置該變量），然后執行響應的控制傳輸。
在調試USB單片機程序時，還要特別注意Win dows對USB設備的枚舉順序：
�、� GetDeviceDescriptor。主機主要對Length域感興趣，發送內容一定要正確，特別是第 2字節type一定為0x01，即Device；否則，主機將不響應，或 者再重復2次后放棄�？蓹z查一下對EP0的RX、TX的設置次序。
�、� SetAddress。一般為02或03。
�、� 連續3次GetDeviceDescriptor，讀取全部設備描述符，一般為 18 B，分為多次傳輸。如果不正確，主機將不響應或重復2次后放棄。
�、� GetConfigDescriptor。注意第2字節一定為0x02，即config 。
�、� GetStringDescriptor（可能沒有），根據在設備描述符中是否有 String索引而定。一般先讀取LanguageID，再讀取product string。
�、� 讀取全部ConfigDescriptor，次數根據描述符的大小決定（端點個數不同，描述符大小不同），如 果不正確，主機將不響應或再重復2次后放棄。
�、� 如果以上步驟都正確，主機將找到新設備，提示安裝驅動程序；否則找到未知設備，不可用。 安裝驅動程序后，以后的每次PlugIn，枚舉次序與以上步驟略有不同，之后會有 SetConfiguration、GetConfiguration和GetInterface等調用。
3.2 主機方面軟件設計
Windows98 提供了多種USB設備的驅動程序，但好像還沒有一種是專門針對數據采集系統的，所 以必須針對特定的設備來編制驅動程序。盡管系統已經提供了很多標準接口函數，但編制驅動程序仍 然是USB開發中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來實現。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，像 Compuware的driv er works，Blue Waters的Driv er Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內生成高質量的USB 的驅動程序。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術來說，USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的 WIN95的VXD方式的驅動程序不同。它是WDM類型的。
在調試USB設備時，可使用UsbView程序檢測設備是否能被Windows枚舉并配置，如果成功， 還可在該程序中查看設備描述符、配置描述符和端點描述符是否正確。之后可以使用Driver Wiz ard生成一個通用驅動程序，在Windows提示安裝驅動程 序時，選擇Driver Wizard生成的驅動程序。其實Driver Wizard生成的僅是一個Windows控制臺的應用程序，它會調用安裝Driver Wizard時安裝在系統中的通用USB驅動程序。使用該程序就可測試設備 是否能夠正確傳輸數據以及傳輸速度。該程序也可作為最終產品USB傳輸部分的框架；如果不能滿足 要求，也可用WDM重新編制驅動程序，用調試好的USB設備來開發、調試主機軟件。
4 應用實例
本文介紹一個高速數據采集系統，以AD公司的ADμC812為系統控制器。該單片機本身就是高度集 成的高精度12位數據采集系統，在其片內不僅組合了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高 性能8位（與8051兼容）MCU，還包含了高性能的自校準多通道（8個輸入通道）12位ADC和兩個12位 DAC，且內核與8051指令集兼容。PDIUSBD12作為 ADμC812的存儲器外設，接口比較簡單。需要注意的地方是引腳必須接高電平，否則將不能接收任何命令和數據；EOT_N必須通過電阻接到USB 的+5 V，以正確檢測到USB連接；INT_N引腳加1個上拉電阻，+5 V接到VDD引腳；在VOUT3.3引腳加 1μF（電解電容）和0.1μF兩個退耦電容。
結束語
PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件，它的SoftConnect 和GoodLink技術使開發和調試USB設備時非常方便，在性能、速度、方便性以及成本上都具有很大的優勢。因此，使用PHILIPS公司的PDIUSBD12可以快速開發出高性能的 USB設備。
