一種新型的USB通信技術(shù)研究

通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB)是在1995年被提出來的，并由Compaq，Digital Equipment Corp(現(xiàn)屬于Compaq)，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Northern Telecom等7家公司定義和推廣。由于USB技術(shù)具有易于使用、熱插拔、速度快、功耗低等特點(diǎn)，使得USB通信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。基于此，本文提出了一種基于CH372芯片的USB通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的USB通訊。

1 CH372簡介
    USB接口芯片種類繁多，基本上可分為兩類：一類是內(nèi)帶有CPU通用功能的USB接口芯片，另一類是內(nèi)部不帶集成CPU的純粹的USB接口芯片。CH371、CH372、CH375芯片系列就是后者。本研究中，由于USB接口僅用于讀寫等數(shù)據(jù)傳送功能，且數(shù)據(jù)處理及信號(hào)轉(zhuǎn)換部分還需單片機(jī)控制，因此選用純粹的USB接口芯片CH372與AT89C52單片機(jī)配合實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)端，CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便掛接到單片機(jī)／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)端，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通信就如同讀寫文件一樣便捷。
    CH372芯片與普通的通用串口芯片相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
    1)全速設(shè)備接口，兼容USB2．0，即插即用，外圍元器件只需晶體和電容即可；
    2)提供一對(duì)主端點(diǎn)和一對(duì)輔助端點(diǎn)，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸；
    3)具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外部固件模式，內(nèi)置固件模式下屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議，自動(dòng)完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器做任何處理，簡化了單片機(jī)的固件編程；
    4)通用Windows驅(qū)動(dòng)程序提供設(shè)備接口，通過DLL提供API應(yīng)用層接口；
    5)通用的本地8位數(shù)據(jù)總線，4線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出；
    6)主端點(diǎn)上傳下傳緩沖區(qū)各64字節(jié)，輔助端點(diǎn)上傳下傳緩沖區(qū)各8字節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    CH372芯片在本地端提供了通用的被動(dòng)并行接口，包括：8位雙向數(shù)據(jù)總線D7～D0、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#、片選輸入引腳CS#、中斷輸出引腳INT#以及地址輸入引腳A0。通過被動(dòng)并行接口，CH372可以很方便地連接到各種8位單片機(jī)、DSP、MCU芯片上，并且可以與多個(gè)外圍器件共存?；贑H372芯片的信息和參數(shù)。這里給出了CH372芯片單片機(jī)端的USB通訊電路，如圖1所示。同時(shí)，該芯片可通過普通USB傳輸線實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的互通，圖1中J1即為USB接頭。

    CH372芯片電路及PCB板設(shè)計(jì)需要注意的事項(xiàng)有：
    1)為了降低電磁輻射，減少來自外界的干擾，PCB板的晶體Y1的金屬外殼接地；
    2)為了降低對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的干擾，PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量不在晶體及振蕩電容附近走線，尤其是不要走繼電器、電動(dòng)機(jī)等帶有瞬時(shí)沖擊電流的電源線和強(qiáng)信號(hào)線；
    3)給USB插座單獨(dú)供電，使USB設(shè)備剛插上時(shí)的電容充電過程不影響單片機(jī)和CH372：
    4)在USB插座前串接限流電阻或電感；
    5)PCB板布局要合理，電阻電容對(duì)齊，溫度敏感的器件布置遠(yuǎn)離電源，板子要敷銅。

3 軟件設(shè)計(jì)
    CH372在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端單片機(jī)之間提供了端對(duì)端的連接，在這個(gè)基礎(chǔ)上，USB接口可以選用單向數(shù)據(jù)流和請(qǐng)求加應(yīng)答兩種通訊方式。采用請(qǐng)求加應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)通信，都是由計(jì)算機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求，單片機(jī)被動(dòng)應(yīng)答完成數(shù)據(jù)傳輸。在程序編制過程中約定3種數(shù)據(jù)傳輸模式，通過計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，分別是：
    1)計(jì)算機(jī)下傳數(shù)據(jù)01H，單片機(jī)上傳存放數(shù)據(jù)的文件的參數(shù)；
    2)計(jì)算機(jī)下傳數(shù)據(jù)02H及8字節(jié)參數(shù)，8字節(jié)參數(shù)包括存放數(shù)據(jù)的地址、數(shù)據(jù)的數(shù)量，單片機(jī)通過調(diào)用相關(guān)子程序分析參數(shù)，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳；
    3)計(jì)算機(jī)下傳數(shù)據(jù)03H，單片機(jī)執(zhí)行關(guān)閉CH372的操作命令。
3．1 單片機(jī)端程序
    在單片機(jī)端采用匯編語言編寫程序，在程序設(shè)計(jì)過程中，考慮到系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及調(diào)試過程直觀性的需要，故采用匯編語言編寫程序，程序流程如圖2所示。[!--empirenews.page--]

3．2 計(jì)算機(jī)端程序
    CH372在計(jì)算機(jī)端提供了應(yīng)用層接口，應(yīng)用層接口是由CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應(yīng)用的API，所有API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API。
    在計(jì)算機(jī)端采用Visual Basic(VB)編寫程序，利用VisualBasic的該特性，調(diào)用CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能的應(yīng)用API函數(shù)編寫計(jì)算機(jī)端的應(yīng)用程序，其工作流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    本文自主研發(fā)的基于CH372的USB通信技術(shù)，設(shè)計(jì)約定了3種通信模式，下面僅介紹模式2(下傳02H和8字節(jié)參數(shù))下的通信調(diào)試過程，其調(diào)試通信步驟如下：
    1)在計(jì)算機(jī)端安裝了CH372的Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)CH372DRV，安裝后，上位機(jī)電路板可以像U盤一樣在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行熱插拔。
    2)運(yùn)行上位機(jī)板USB芯片的初始化程序后，計(jì)算機(jī)端設(shè)備管理器會(huì)跳出如圖4的窗口，表示芯片工作正常，計(jì)算機(jī)和上位機(jī)板就可以采用請(qǐng)求加問答的方式進(jìn)行通信。
    3)計(jì)算機(jī)運(yùn)行Visual Basic平臺(tái)下的程序代碼如下所示，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)02H和參數(shù)。[!--empirenews.page--]


    4)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，計(jì)算機(jī)跳出如圖5反饋窗口，該窗口表示下傳9個(gè)參數(shù)成功，單片機(jī)在接收到02H及相應(yīng)的參數(shù)后，通過分析參數(shù)，確定要上傳數(shù)據(jù)的存放地址、上傳數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，并通過CH372將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)端，接收的數(shù)據(jù)放在預(yù)先設(shè)定的文件中，如圖6所示，以備為計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)所調(diào)用。

5 結(jié)束語
    本文研究了基于CH372的USB通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了采用CH372實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)連通的硬件電路，并自主開發(fā)了計(jì)算機(jī)端和單片機(jī)端的應(yīng)用程序。試驗(yàn)表明在所設(shè)計(jì)的約定下，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信，且該設(shè)計(jì)能夠明顯提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。