摘要：USB（UniversalSerialBus，即通用串行總線）是一種快速、雙向、廉價、支持熱插拔的通信接口，USB通信技術已在大多數(shù)數(shù)碼電子產(chǎn)品中獲得應用。本文設計了一種由Philips公司的PDIUSBD12芯片和AT89S51單片機等組成的USB通信接口電路，使PC機可以通過PDIUSBD12與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。
　　關鍵詞：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)的簡稱。在早期的計算機系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統(tǒng)資源（如I/O地址、DMA通道等）。無論是串口還是并口都是點對點的連接，一個接口僅支持一個設備。因此每添加一個新的設備，就需要添加一個ISA/EISA或PCI卡來支持，同時系統(tǒng)需要重新啟動才能驅動新的設備。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準，主要用于PC機與外圍設備的互聯(lián)。和傳統(tǒng)的串并口相比USB總線具有低成本，使用簡單，支持即插即用，易于擴展，應用范圍廣等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統(tǒng)上。USB接口還具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，使用方便等特點。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技術還不是很成熟，特別是高速設備。
　　通用串行總線是近年來應用在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。現(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USB的支持USB是應用在PC領域的新型接口技術。目前USB數(shù)據(jù)總線已經(jīng)在各種計算機中得到普及，并成為計算機的標準外設。
　　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)時需要單獨的開發(fā)系統(tǒng)，因此開發(fā)成本較高；而后一種只是一個芯片與MCU接口實現(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)合推出的新一代標準口總線，該總線是一種連接外圍設備的機外總線，最多可連接127個設備，為微機系統(tǒng)擴充和配置外部設備提供了方便，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現(xiàn)低成本、高可靠性的多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于USB的種種優(yōu)點，被越來越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了USB打印機、攝像機等產(chǎn)品。盡管目前USB接口的應用主要集中在電腦的周邊外設，但是USB產(chǎn)品進入工控領域將是必然的趨勢，所以本課題的研究是具有一定的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義的論文。
　　
　　二、系統(tǒng)的整體設計
　　目前，作為8位單片機市場占有率第一的Atnel公司，己經(jīng)宣布停產(chǎn)。曾經(jīng)風光無限的AT89C51，取而代之的是AT89S51。與AT89C51相比，AT89S51在許多方面進行了改進，如采用0.354cm新工藝、成本更低等，但最重要的改進是增加了ISP(系統(tǒng)可編程)功能。ISP為單片機的實踐和開發(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行單片機的實驗和開發(fā)，單片機芯片可以直接焊接到電路板上，調試結束即可，甚至可以遠程在線升級或改變單片機中的程序。
　　
　　2.1系統(tǒng)設計方案
　　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。隨著USB應用的日益廣泛，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。這些單片機處理能力強，構成系統(tǒng)的電路簡單，調試方便，是構成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單片機和飛利浦公司的PDIUSBD12芯片構成系統(tǒng)。AT89S51價格便宜，具有ISP功能。PDIUSBD12是一款高性價比的USB器件，開發(fā)設計和調試并不困難。
　　基于USB接口的硬件組成包括USB通信接口芯片、AT89S51單片機、外設PC機，其硬件總體結構見圖2.1。AT89S51單片機發(fā)出一個指令，經(jīng)過USB接口芯片，由PC機執(zhí)行。
　　
　　圖2.1硬件總體結構
　　PDIUSBD12是飛利浦公司推出的一款高性價比的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(直接存儲器存取)傳輸，為微控制系統(tǒng)與PC機進行大規(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，可使其應用于使用總線供電的外部設備。此外，它集成了內(nèi)部上拉電阻(用于軟件控制總線的開關)、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)總線復用的方式)，采用MCU與PDIUSBD12結合的形式實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的高速傳輸，使系統(tǒng)變得形式靈活、編程簡潔、成本低廉。
　　2.2整體框圖設計
　　
　　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。
　　每個元件與單片機都有單獨的電路連接，均以單片機為控制核心，使單片機能獨立的控制每個元件的正常工作。再通過USB接口（PDIUSBD12芯片），上位機能與單片機實現(xiàn)通信，上位機發(fā)送信息到單片機，單片機根據(jù)上位機信息控制外圍電路的工作；外圍設備發(fā)送信息到單片機，單片機反饋到上位機，在上位機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)字符轉換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時可將接受的串行數(shù)據(jù)流轉換為并行的數(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)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。
　　它很簡單并且能夠實現(xiàn)遠距離通信。
　　三、硬件設計論文
　　3.1系統(tǒng)原理圖設計
　　
　　圖3.1單片機和PDIUSBD12芯片的連接圖
　　3.1.1單片機最小系統(tǒng)的設計
　　單片機最小系統(tǒng)主要包括其供電系統(tǒng)，時鐘電路和復位電路。本系統(tǒng)中單片機供電電路和時鐘電路都做了簡化處理，單片機的系統(tǒng)復位電路采用手動復位。單片機電路如圖3.2所示，其中：
　　1、單片機采用外接晶振的方法，是外接晶振，頻率為11.0592MHz；
　　2、復位電路采用按鍵復位；
　　3、PDIUSBD12使用單片機的外部中斷0。在程序里將單片機和PDIUSBD12設置為相同的中斷方式，即電平中斷。然后由PDIUSBD12自動清除中斷腳上的低電平，以便接受下次中斷。
　　
　　
　　圖3.2單片機最小系統(tǒng)
　　1.時鐘電路描述
　　在單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1、XTAL2引腳外界石英晶體（簡稱晶振），就構成了自激蕩震蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號，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.復位電路描述
　　為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，
　　復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。復位電路要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復位操作，再開機的瞬間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間（2個機器周期），單片機就可以進行復位操作，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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