作者：張學峰;陳瑾;翟從鴻;彭文超;朱家俊

為解決51單片機與計算機的串行總線（USB）的通信問題，以PDIUSB12芯片為基礎，選擇51單片機中的STC89C52為示例，設計了一款USB的接口電路，解決了多款51單片機與計算機的USB通信困難的問題。

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算機廠商的廣泛青睞。微控制器（MCU）在與計算機實現通信時大多依靠USB來實現。在MCU中，51單片機是國內使用最廣的單片機之一，但是由于多款51單片機無法直接與計算機實現USB通信，而給許多用戶開發和使用帶來不便。本文以51單片機中的典型代表STC89C52和恩智浦半導體公司的PDIUSB12為基礎設計的USB接口電路，解決了MCU和計算機的USB通信問題。本方案具有價格便宜、使用簡單、無需編寫復雜的USB驅動程序、即插即用等優點。

1 電路硬件設計

1.1 芯片簡介

本系統以單片機STC89C52和PDIUSB12接口芯片為基礎而搭建。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能8位CMOS微處理器，具有經典的MCS-51內核，主要有以下功能特點：擁有靈活的8 KB Flash程序存儲器和512 B RAM數據存儲器，并含有32位I/O口和內置的4 KB EEPROM，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構，全雙工串行口；掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止；最高運作頻率35 MHz，是一種常用性價比較高的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存儲器、收發器以及電壓調整器。它支持本地的DMA傳輸，能夠與外部的微處理器實現2 Mb/s的高速并行接口，集成了320 B的多配置FIFO存儲器，在塊傳輸模式下有1 Mb/s的數據傳輸率，可通過軟件實現與USB相連，多中斷模式實現批量和同步傳輸［1］。可以把PDIUSB12、MCU與計算機連接，本設計中與計算機相連的結構圖如圖1所示。

1.2 硬件電路

由STC89C52和PDIUSB12構成的USB接口電路圖如圖2所示，PDIUSB12的8位并行數據分別與STC89C52的P0口連接；ALE表示地址鎖存功能，與GND相連，關閉地址信息鎖存；CS_N表示片選功能，與GND相連，芯片一直處于工作狀態；SUSPEND與GND相連，掛起功能失效；中斷請求引腳INT_N與MCU的外部中斷INT0相連，低電平時有效；RD_N和WR_N為控制信號，分別與單片機P3.3口和P3.4口相連；地址位A0與單片機P3.5口相連，當A0為高電平時表示單片機發出命令指令，當A0為低電平時表示單片機發出數據指令；DMA請求引腳DMREQ懸空；DMA應答引腳DMACK_N低電平時有效，它與VCC相連無DMA應答；可編程時鐘輸出DMACK_N懸空［2］。

USB設備有兩種供電方式：總線供電和自供電方式，為了方便使用、減少外圍電路的復雜程度，本文選擇了總線供電方式。USB接口有4個引腳，分別是5 V的VCC口、GND、數據口D+和D-。LED燈D2與USB的VCC口和GND相連，當系統與USB接口連接時，D2燈亮。數據口D+、D-用于通信，也可通過D+、D-的電位狀態來判斷系統是否被計算機識別。當電位差接近GND時，表示系統與計算機連接未成功；當電位差接近VCC時，表示系統已做好準備可以與計算機通信。也可以通過GL_N腳的LED燈D1來進行判斷：當D1間歇閃爍，表示系統正在與計算機進行識別；當D1一直點亮，表示已成功完成識別，可以通信。

2 系統軟件設計

對51單片機和PDIUSB12的USB系統而言，其核心部分是程序設計，主要包括驅動軟件部分、固件程序部分和應用軟件部分。為簡化設計，驅動軟件利用Windows自帶的驅動軟件，使用HID系統接口協議，省去了驅動軟件的開發過程。因此固件程序和應用軟件程序是系統的關鍵部分。

2.1 USB設備與計算機通信過程

PDIUSB12擁有PSIE（Philips串行接口引擎）功能，PSIE實現了全部的USB協議層，并完全由硬件實現而不需要軟件的參與。該模塊的功能包括同步模式的識別、并行/串行轉換、位填充/解除填充、CRC校驗/產生、PID校驗/產生、地址識別和握手評估/產生。要實現計算機與USB設備的通信，需要在USB設備接入計算機時進行枚舉過程［3］，也就是讓計算機識別與設置USB設備、設備與主機之間的通信通過控制傳輸模式進行。其過程主要如下：

（1）當USB設備接入計算機時，USB設備處于上電狀態，單片機和PDIUSB12上電。在PDIUSB12芯片內部的D+、D-上集成有1.5 k？贅的上拉電阻，默認狀態下此上拉電阻不與VCC相連。上電后，若將D+拉至高電平，根據集線器監測到的數據變化，識別出有高速設備接入；若上拉電阻將D-拉至高電平，識別出有低速設備接入。本系統設定的是高速USB設備。在MCU完成初始化操作中，設置D+為高電平。

（2）當計算機檢測USB設備已經接入并判斷出是高速設備還是低速設備后，計算機會發送Set_Port_Feature請求給集線器用以管理端口USB設備，并將D+、D-置低電平狀態（即復位狀態），持續10 ms后回到通信狀態。在計算機發送完Set_Port_Feature后，會不斷向集線器發送Get_Port_Status請求，以查詢USB設備是否完成復位功能。當集線器完成復位后，USB設備處于空閑狀態，等待計算機發送新的指令。USB設備和計算機傳輸的默認地址是0和端點0。

（3）計算機通過發送Set_Address請求向USB設備分配一個唯一的地址。此后計算機與USB設備的所有通信都通過這個地址來實現。

（4）地址分配完畢后，計算機從新地址獲取設備描述符。設備描述符中規定了一個或多個配置描述符，計算多次發送Get_Descriptor（）命令來讀取這些配置描述符。設備描述符包括端點0的最大包長度、設備支持配置和個數、設備類型、PID、VID等。計算機收到后發送0 B數據包作為應答。

（5）計算機讀完設備描述符后對設備進行配置，此時計算機端口會彈出窗口，展示發現新設備的信息、產商、產品描述、型號等。

（6）計算機從描述符中得到足夠的信息之后開始為設備安裝驅動。加載驅動后，計算機發送Set_Configration（）命令請求為設備選擇一個合適的配置，至此USB枚舉過程結束［4］。此時，若計算機向USB發送某一數據指令，數據通過USB口傳送給PDIUSB12，經PDIUSB12交由MCU進行處理，處理完畢后其結果經USB接口返還給上位機軟件顯示出來。至此，實現USB設備與計算機的最基本通信。

2.2 固件程序設計

2.2.1 固件結構

固件結構和數據流向如圖3所示。在硬件提取層中首先要對系統進行底層設置和識別，主要是對PDIUSB12和MCU的I/O口進行識別和加載的過程；PDIUSB12命令接口包含若干子程序命令，需要時可對子命令進行直接調用；中斷服務程序（ISR）的主要功能是當PDIUSB12發送中斷請求時，接收傳來的數據并設定標志傳給主循環程序；標準設備處理表示對USB的標準設備請求進行處理；廠商請求處理表示對用戶添加的廠商請求進行處理［5］；主循環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據處理的功能。

2.2.2 PDIUSB12接口命令

該模塊包含PDIUSB12的所有子程序，當需要時只要從中直接調用即可。下面列舉其中幾個主要功能：

INT16U D12_ReadChipID（void）//讀取芯片ID

void D12_SetEndpointEnable（INT8U bEnable）

//設置端點使能

void D12_SetMode（INT8U bConfig，INT8U bClkDiv）

//模式設置

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

INT16U D12_ReadInterruptRegister（void）

//讀取中斷寄存器值

INT8U D12_SelectEndpoint（INT8U bEndp）//端點選擇

INT8U D12_ReadEndpointStatus（INT8U bEndp）

//讀取端點狀態

INT8U D12_WriteEndpoint（INT8U endp，INT8U len，

INT8U*buf）//寫入數據

void D12_AcknowledgeEndpoint（INT8U endp）//答應setup

在該模塊下的大多函數都是D12開頭的。其詳細功能就不一一介紹，可參閱PDIUSB12數據手冊。

2.3 應用軟件及程序設計

應用軟件是將計算機發送過來的數據經單片機處理后再返回給計算機，并通過上位機將發送和接收的數據顯示出來。

以計算機將發送給MCU的數字進行+1操作為例，實現該功能的應用程序如下：

if（bEPPflags.bits.ep2_rxdone）

{

bEPPflags.bits.ep2_rxdone=0；

D12_WriteEndpoint（5，EP2_PACKET_SIZE，EpBuf）；

}

本設計選擇單片機多功能調試助手作為上位機軟件，這是一款集串口/USB/網絡調試、進制轉換、字模與數碼管字型碼制作、常用校驗值計算、UNICODE碼轉換、位圖輸出C文件等眾多功能于一身的綜合型調試軟件。將實驗數據和實驗結果顯示出來，其實現結果如圖4所示。

3 結論

本文研究了基于STC 51單片機和PDIUSB12的USB接口設計，以STC89C52為示例提出了整體研究方案。該方案采用HID系統接口協議，經試驗發現其性能穩定、使用方便、性價比高，可作為STC 51單片機與計算機的通信接口使用。同時也可為其他USB接口電路的研究提供解決思路。
編輯：hfy