USB接口單片機(jī)SL11R的特點(diǎn)及應(yīng)用

1 USB接口簡(jiǎn)介

    USB總線是通用串行總線(Universal Serial Bus)的簡(jiǎn)稱(chēng),已經(jīng)成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。目前586以上的PC機(jī)基本上都已經(jīng)配置了USB接口。USB接口具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、使用方便等特點(diǎn)。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)。USB設(shè)備即插即用,無(wú)需重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。

2 SL11R介紹

2.1 SL11R概述

    SL11R是Scanlogic公司的SL11產(chǎn)品家族的一員,是一種帶USB接口的16位單片機(jī),內(nèi)部運(yùn)行頻率為48MHz,采用RISC結(jié)構(gòu),有16位數(shù)據(jù)總線,32位通用I/O口(GPIO),其中22位可作為地址總線進(jìn)行尋址(A0~A21),可以直接擴(kuò)展多種外設(shè)。

2.2 SL11R主要特點(diǎn)

    ·USB接口   SL11R的USB接口符合USB1.1協(xié)議,有四個(gè)端點(diǎn)(endpoint),兩種數(shù)據(jù)傳輸速率,全速模式為12Mbit/s,低速模式為1.5Mbit/s,并且具有USB協(xié)議所規(guī)定的四種數(shù)據(jù)傳輸方式,即控制傳輸方式(Control mode)、同步傳輸方式(Iochronous mode)、中斷傳輸方式(Intrerupt mode)、批量傳輸方式(Bluk mode)。

    ·硬件資源豐富 SL11R有3K字節(jié)的內(nèi)部RAM、兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)外部中斷、一個(gè)看門(mén)狗電路、一個(gè)普通串行接口(UART)、32位通用可編程I/O口(GPIO)、一個(gè)16位的可編程DMA接口、四個(gè)PWM輸出引腳及擴(kuò)展外圍元件用的控制引腳。SL11R的外圍元件擴(kuò)展非常方便,擴(kuò)展EPROM、串行E2PROM、SRAM即EDO DRAM等常用元件時(shí)均無(wú)需另加控制電路。

    ·多種工作方式  SL11R有四種工作模式,即通用輸入輸出模式、快速增強(qiáng)并行端口模式、8位/16位DMA模式、DVC8位DMA模式,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合用軟件進(jìn)行設(shè)置。尤其8位DVC模式,可以直接與CCD接口,方便地開(kāi)發(fā)CCD圖像采集系統(tǒng)或數(shù)碼相機(jī)。

    ·無(wú)需專(zhuān)用開(kāi)發(fā)裝置  SL11R內(nèi)部有3K×16位的程序存儲(chǔ)器,類(lèi)似于80X86的BIOS,已經(jīng)把單片機(jī)的啟動(dòng)配置、聯(lián)機(jī)調(diào)試及常用功能等固化在內(nèi)部,開(kāi)發(fā)者直接調(diào)用即可。CPU復(fù)位后,內(nèi)部BIOS會(huì)把外部程序存儲(chǔ)器中的代碼讀入內(nèi)部RAM中執(zhí)行。如果沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器,SL11R會(huì)自動(dòng)運(yùn)行在監(jiān)控狀態(tài),與PC機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊,并能夠在線對(duì)線路板上的串行EEPROM進(jìn)行編程或直接調(diào)試程序。由此可見(jiàn),SL11R無(wú)需專(zhuān)用開(kāi)發(fā)裝置就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā),這一點(diǎn)對(duì)開(kāi)發(fā)者非常有利。由于SL11R可以在線編程,這就意味著即使用戶也可以進(jìn)行軟件升級(jí)。這一點(diǎn)對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)很必要,因?yàn)橛行〣UG可能要用戶使用后才能發(fā)現(xiàn)。

2.3  SL11R工作方式簡(jiǎn)介

    ·通用輸入輸出模式(GPIO模式) 在這種模式下,SL11R的外部有32個(gè)通用輸入輸出引腳,其中4個(gè)已經(jīng)分配給USB和UART串行接口專(zhuān)用,其他28個(gè)引腳可以通過(guò)軟件編程,分別設(shè)置成輸入或輸出狀態(tài)。這種模式一般用于處理普通的外部并行接口類(lèi)設(shè)備的數(shù)據(jù),是用途較廣的模式。

    ·快速增強(qiáng)并行端口模式(Fast EPP模式)    快速增強(qiáng)并行端口(Fast EPP)是計(jì)算機(jī)外設(shè)的一種標(biāo)準(zhǔn)并行接口。SLR11R在這種模式下,可以直接讀寫(xiě)快速EPP并行增強(qiáng)端口。一般用于USB接口和Fast EPP接口的轉(zhuǎn)換。

    ·8位/16位快速DMA模式 SL11R的DMA模式包括郵箱協(xié)議(Mailbox Protocol)和DMA協(xié)議兩種方式。郵箱協(xié)議工作方式允許外部處理器與SL11R進(jìn)行異步通訊,它們通過(guò)郵箱的輸入、輸出寄存器交換數(shù)據(jù)。DMA協(xié)議工作方式一般用于SL11R與外部設(shè)備大量的數(shù)據(jù)高速傳輸。這種傳輸無(wú)需CPU的干預(yù),而且允許外設(shè)直接與DRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,適合數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)合,如打印機(jī)、Modem、掃描儀等。

    SL11R在DMA模式下,還有四個(gè)可編程的PWM輸出引腳,可以控制DMA模式下的外設(shè)與不同的外設(shè)通訊,如連接CCD、CIS、COMS等圖像傳感器或其他外設(shè)。只要根據(jù)外設(shè)的控制要求對(duì)PWM編程,就可以控制外設(shè)在DMA模式下傳輸數(shù)據(jù)。

    ·DVC8位DMA模式    這種模式專(zhuān)門(mén)用于與CCD相機(jī)接口,SL11R通過(guò)串行方式控制CCD相機(jī),圖像數(shù)據(jù)以DMA的方式傳給SL11R。

3 SL11R設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 SL11R硬件設(shè)計(jì)

    SL11R的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中一般的外圍元件可以直接擴(kuò)展。Scanlogic公司在開(kāi)發(fā)套件中提供了一個(gè)比較完善的電路圖,但對(duì)一些簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合顯得稍繁瑣。事實(shí)上SL11R的內(nèi)部有3K字節(jié)的RAM,在數(shù)據(jù)量不是特別大的場(chǎng)合,無(wú)需擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖1是筆者設(shè)計(jì)的SL11R應(yīng)用的一個(gè)基本電路,已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用。

    雖然SL11R經(jīng)過(guò)編程可以使用12MHz晶振,但調(diào)試模式不支持12MHz,而且筆者在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),如果晶振質(zhì)量不太好,電路穩(wěn)定性稍差。故建議在條件許可的情況下,盡量使用48MHz的晶振。

    SL11R的工作電壓為3.3V,電路中其它元件均應(yīng)選用低電壓型器件。

    Scanlogic公司提供的SL11R開(kāi)發(fā)工具中附帶有調(diào)試程序,在線調(diào)試時(shí)需要使用RS232口,所以電路中設(shè)計(jì)了RS232接口芯片。

3.2 SL11R固件設(shè)計(jì)

    SL11R的固件直接控制CPU的運(yùn)行,程序代碼可以存儲(chǔ)在外部EPROM或I2C串行EEPROM中,甚至可以存在主機(jī)上,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候下載到SL11R的內(nèi)部運(yùn)行。最簡(jiǎn)單的方式是把代碼寫(xiě)到串行EEPROM中,因?yàn)镾L11R提供了專(zhuān)用的工具軟件可以直接對(duì)EEPROM在線編程,無(wú)需另外的編程裝置。

3.2.1 SL11R程序結(jié)構(gòu)

    SL11R匯編語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)與80X86相似,而且也有內(nèi)部BIOS。

    MCS51等沒(méi)有BIOS的單片機(jī),需要開(kāi)發(fā)者控制CPU的每一步運(yùn)行,程序必須在某一段反復(fù)循環(huán),程序結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。SL11R由于有BIOS支持,它的程序結(jié)構(gòu)就與MCS51有所區(qū)別。SL11R的主體循環(huán)是在BIOS內(nèi)部,實(shí)際上用戶程序一般只是BIOS的中斷響應(yīng)子程序。也就是說(shuō),開(kāi)發(fā)者所編的SL11R的用戶程序可以沒(méi)有主循環(huán)體。SL11R的用戶程序結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。值得指出的是,開(kāi)發(fā)者也可以擺脫BIOS的控制,程序不在BIOS內(nèi)部循環(huán)。但該程序設(shè)計(jì)難度較大,因?yàn)檫@時(shí)開(kāi)發(fā)者需要自己直接處理USB接口的底層軟件,一般沒(méi)有特殊要求不要使用這種方式。

3.2.2  SL11R的USB接口編程

    SL11R的大部分功能都可以通過(guò)BIOS調(diào)用實(shí)現(xiàn)。USB的編程也是調(diào)用BIOS實(shí)現(xiàn)。SL11R復(fù)位后會(huì)自動(dòng)配置USB接口,與主機(jī)建立USB通訊,一般情況下開(kāi)發(fā)者可以不進(jìn)行干預(yù)。

    開(kāi)發(fā)者主要使用的與USB有關(guān)的BIOS軟件中斷:

    ·USB_STAND_INT、USB_CLASS_INT、USB_VENDOR_

INT、USB_FINISH_INT 這些中斷主要是為了實(shí)現(xiàn)USB通訊,其中USB_VENDOR_INT是接受主機(jī)控制指令中斷,主機(jī)對(duì)SL11R的控制基本上都是通過(guò)它實(shí)現(xiàn)的。

    ·USB_SEND_INT、USB_RECEIVE_INT這兩個(gè)中斷用于USB發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。可以通過(guò)配置,分別使用USB的四個(gè)端口。

3.3 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    要開(kāi)發(fā)SL11R主機(jī)軟件,一種簡(jiǎn)單、快捷的方式是借助于SL11R開(kāi)發(fā)工具包(SL11R DVK)。通過(guò)學(xué)習(xí)工具包中附帶的例子程序可以在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出一個(gè)應(yīng)用軟件,用戶不需自己開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。該工具包可以從ScanLogic公司的網(wǎng)站(www.scanlogic.com)下載得到。工具包中包括的內(nèi)容有:通用驅(qū)動(dòng)程序、例子程序和開(kāi)發(fā)用的文檔資料。對(duì)于一般的開(kāi)發(fā)工作可以直接使用工具包中的驅(qū)動(dòng)。用于Windows98系統(tǒng)的三個(gè)文件分別是: slusbgen.sys、usb2epp.sys和usbdev.inf。

    在AppWizard (zip)源代碼包中,可以找到用VC寫(xiě)成的主機(jī)例子程序(usbtest.exe)的源代碼。其中有幾個(gè)文件對(duì)利用ScanLogic公司提供的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序很有幫助。在頭文件slusb.h中含有如下函數(shù)原型:

    BOOL FAR PASCAL CloseUsbDev(VOID); //關(guān)閉USB口

    BOOL FAR PASCAL FindUsbDev(WORD wProd);  //打開(kāi)USB口

    BOOL UsbVendorCmdRead(BYTE bCmd,WORD wValue,

    WORD wIndex, WORD wLen, PVOID pData);  //發(fā)送讀控制指令

    BOOL UsbVendorCmdWrite(BYTE bCmd, WORD wValue,

    WORD wIndex, WORD wLen, PVOID pData); //發(fā)送寫(xiě)控制指令

    BOOL UsbDataRead(DWORD n, PVOID pData);  //讀數(shù)據(jù)塊

    BOOL UsbDataWrite(DWORD n, PVOID pData); //寫(xiě)數(shù)據(jù)塊

    只要在應(yīng)用程序中靈活用好以上幾個(gè)函數(shù),做一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集工作是完全可行的,筆者就是借用這幾個(gè)函數(shù)在實(shí)際工作中成功完成了應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

    文件devioctl.h包含有slusb.h中需要的常數(shù)和宏的定義。在文件usbtest.cpp中定義了控制SL11R操作的指令代碼。

    SL11R是一種功能強(qiáng)大的USB接口單片機(jī),它的16位總線及DMA傳輸模式允許進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸,可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。而且SL11R的編程簡(jiǎn)單,無(wú)需專(zhuān)用開(kāi)發(fā)裝置,開(kāi)發(fā)成本低,初次接觸USB的開(kāi)發(fā)人員可以很容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。