基于USB接口的數(shù)據(jù)通信演示板的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案

前言

在開發(fā)USB設(shè)備時(shí)最難的就是固件和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，要想成功的開發(fā)這兩部分必須完全熟悉USB協(xié)議，而這至少需要五到六個(gè)月的時(shí)間。南京沁恒公司的CH371芯片是一塊屏蔽了USB協(xié)議的接口芯片，該芯片固化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和單片機(jī)程序中的協(xié)議處理部分，因此不需要去了解復(fù)雜的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB協(xié)議，大大減少了開發(fā)周期，也降低了開發(fā)難度。本文介紹的演示板就是基于該公司的CH371和CH451芯片的一個(gè)簡(jiǎn)單USB外設(shè)，通過這塊演示板，不僅可以了解基于USB接口的基本結(jié)構(gòu)，而且還可以熟悉基于這種接口的PC和單片機(jī)通信的單片機(jī)控制程序和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的編寫。 


芯片介紹

USB接口芯片CH371 

CH371是一個(gè)USB 總線的通用接口芯片。在本地端，CH371 具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP、MCU 等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH371 的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫硬盤中的文件。CH371 屏蔽了USB 通訊中的所有協(xié)議，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端控制器之間提供端對(duì)端的連接。基于CH371，不需要了解任何USB 協(xié)議或者固件程序，甚至驅(qū)動(dòng)程序，就可以輕松地將并口、串口的產(chǎn)品升級(jí)到USB 接口。

使用時(shí)，在本地端CH371具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，就像操作一般外設(shè)芯片一樣方便地掛接到DSP、MCU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)端，CH371的配套軟件包括通用驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用軟件包，提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口。 

根據(jù)不同的工作方式，芯片的接口類型可以有以下幾種：被動(dòng)并行接口、I2C主接口、主控方式接口。按照芯片特點(diǎn)，CH371芯片通過被動(dòng)并行接口與本地端控制器連接，通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，如圖1所示。



圖1 單片機(jī)、CH371芯片以及PC連接示意圖 

鍵盤控制和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片CH451

CH451 是一個(gè)多功能外圍芯片，通過可以級(jí)聯(lián)的4 線串行接口與單片機(jī)、DSP、微處理器等控制器交換數(shù)據(jù)。CH451 包含三個(gè)功能：數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描控制、 P 監(jiān)控，三個(gè)功能之間相互獨(dú)立，控制器可以通過操作命令分別啟用、關(guān)閉、設(shè)定CH451 的任何一個(gè)功能。CH451 的串行接口是由硬件實(shí)現(xiàn)的，控制器可以頻繁地通過串行接口進(jìn)行高速操作。CH451主要功能包括動(dòng)態(tài)掃描功能和鍵盤掃描功能。

在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層，通過應(yīng)用程序來(lái)演示CH451的各種功能。應(yīng)用程序把控制命令通過CH371傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到命令后再來(lái)控制CH451。CH451通過四線串行接口與單片機(jī)連接，如圖2所示。



圖2 單片機(jī)、CH451芯片和鍵盤、數(shù)碼管的連接示意圖 

USB設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸過程描述

USB即插即用的自動(dòng)配置過程是由CH371 芯片和驅(qū)動(dòng)程序共同完成的。將帶有CH371芯片的USB產(chǎn)品插入到計(jì)算機(jī)的USB插槽中，當(dāng)PC機(jī)檢測(cè)到USB 插入事件，操作系統(tǒng)有選擇地復(fù)位USB 產(chǎn)品，并讀取USB 產(chǎn)品的設(shè)備描述符，在CH371 芯片返回設(shè)備描述符后，操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備描述符加載CH371 驅(qū)動(dòng)程序；CH371 驅(qū)動(dòng)程序讀取CH371 芯片的設(shè)備描述符和配置描述符；在CH371 芯片返回設(shè)備描述符和配置描述符之后，CH371 驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)配置描述符請(qǐng)求操作系統(tǒng)對(duì)CH371 芯片進(jìn)行配置。在完成配置后，PC機(jī)給CH371 芯片分配一個(gè)USB 設(shè)備地址，并指定一個(gè)USB 配置。以上是CH371 芯片的自動(dòng)配置過程，在完成自動(dòng)配置后，CH371 驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用層開放操作接口。

數(shù)據(jù)傳輸過程是USB 產(chǎn)品的應(yīng)用層軟件與USB 產(chǎn)品的控制器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程。首先計(jì)算機(jī)應(yīng)用層將數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送給CH371 芯片，CH371 芯片以中斷方式通知本地端控制器，并使之進(jìn)入中斷程序，查看傳輸狀態(tài)信息寄存器中的數(shù)據(jù)傳輸方向標(biāo)志位，如果是上傳，則將上傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器置為15，然后退出中斷程序；如果是下傳，則查看下傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器，從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊，并分析接收到的數(shù)據(jù)塊，將應(yīng)答數(shù)據(jù)和應(yīng)答數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度分別寫入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)和上傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器中，然后退出中斷程序。在退出中斷程序之后， CH371 芯片將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī)，此時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用層將會(huì)接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。

演示板硬件電路設(shè)計(jì)

本演示板采用USB 總線接口芯片CH371、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和鍵盤控制芯片CH451和通用的MCS51 系列單片機(jī)構(gòu)成，用于演示CH371 的USB 數(shù)據(jù)通訊功能，CH451 的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)/鍵盤掃描功能，以及CH371 與單片機(jī)的連接，CH451 與單片機(jī)的連接。演示板通過USB 接口與PC 機(jī)進(jìn)行通訊，并由PC 機(jī)控制它的執(zhí)行，演示板電路設(shè)計(jì)如圖所3示。


圖3中，元器件說(shuō)明如下：

晶振X1 為標(biāo)準(zhǔn)的12MHz，晶振的金屬外殼應(yīng)該接地，以減少來(lái)自外界的干擾；振蕩電容C1、C2 的容量為20pF（可以在5pF 至30pF 之間選擇）；另外，建議在CH371 的XI引腳（第14 腳）前串接一個(gè)阻值為1K 的電阻（可以在200 至3K 之間選擇），即X1與C2 相連接后通過1K 電阻連接到CH371 的XI 引腳。

阻抗匹配電阻R1、R2 為100 （可以在80 至150 之間選擇），如果CH371 的工作電壓略低于5V ，則R1、R2 的阻值可以適當(dāng)減少。
U4（單片機(jī)89C51）用于測(cè)試CH371 的USB 數(shù)據(jù)通信功能，本例中CH371 工作于復(fù)用地址方式，U4 的ALE 與CH371 的ALE 相連接，CH371 的INT#與U4 的INT0 相連接，U4通過CH371 的被動(dòng)并行接口與CH371 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

U3（EEPROM 器件24C02）作為I2C 接口的目標(biāo)設(shè)備，用于測(cè)試CH371 的I2C 接口功能，PC 機(jī)的應(yīng)用層程序可以直接對(duì)該器件進(jìn)行讀寫測(cè)試。

L1（發(fā)光二極管LED）用于測(cè)試CH371 的主控方式的功能，即使CH371 不連接任何單片機(jī)（例如在本例中取出單片機(jī)U4），PC 機(jī)的應(yīng)用層程序仍然可以直接控制CH371 的A3引腳輸出低電平或者高電平，從而點(diǎn)亮LED 或者熄滅LED。



圖3 CH371和CH451演示板硬件電路圖 

跳線J1 用于測(cè)試CH371的片選線CS#的兩種用法，在本例中單片機(jī)沒有其它外圍器件，所以CS#引腳可以懸空，作為默認(rèn)選擇，如果單片機(jī)還有其它并行接口的外圍器件，則CS#應(yīng)該作為片選控制線，例如由單片機(jī)的地址線A15 驅(qū)動(dòng)，從而將CH371 定位于單片機(jī)U4 的0000H-7FFFH 地址空間。

跳線J3 用于測(cè)試CH371 的USB 帶電下線功能，當(dāng)單片機(jī)U4 的P1.4 引腳輸出高電平時(shí)，可以控制CH371 模擬從USB 總線上斷開，當(dāng)單片機(jī)U4 的P1.4 引腳輸出低電平時(shí)，可以控制CH371 模擬連接到USB 總線。
跳線J2 用于選擇單片機(jī)U4 上電復(fù)位信號(hào)的來(lái)源，CH371 和CH451 都具有上電復(fù)位和看門狗功能，由J2 可以分別測(cè)試兩個(gè)芯片的上電復(fù)位功能。電阻R4 用于調(diào)節(jié)CH451的上電復(fù)位門限，阻值為200K 時(shí)上電復(fù)位門限約為4V，測(cè)試時(shí)請(qǐng)注意防止干擾。

電阻R5 為數(shù)碼管的限流電阻，阻值可以在60 至500 之間選擇，阻值為200 時(shí)限定段電流為13mA 左右；電阻R6 為按鍵掃描的限流電阻，阻值可以在1K 至10K 之間選擇，本例中為2K ，如果不使用CH451 的按鍵掃描功能，則電阻R6 可以省去。

CH451的SEG0~SEG7引腳和DIG0~ DIG7引腳相互配合，可以最大擴(kuò)展8個(gè)共陰數(shù)碼管和64個(gè)輕觸按鈕。這部分?jǐn)U展電路比較容易，由于版面所限，以上電路圖省去了這部分。 程序的軟件設(shè)計(jì)一般USB設(shè)備的開發(fā)，USB接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序開發(fā)，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。由于CH371接口芯片固化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和單片機(jī)程序中的協(xié)議處理部分，因此軟件設(shè)計(jì)僅僅包括兩部分，即單片機(jī)中的數(shù)據(jù)交換部分和主機(jī)的應(yīng)用程序。


單片機(jī)控制程序

應(yīng)用程序和單片機(jī)控制程序之間有這樣的協(xié)議約定：應(yīng)用程序發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)中的第一個(gè)字節(jié)是命令，單片機(jī)接收到PC發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)后，先對(duì)第一個(gè)字節(jié)做出響應(yīng)，根據(jù)命令的不同進(jìn)入不同的子程序。例如：定義DEMOTESTDATA EQU 90H，這表示90H這個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)代表測(cè)試命令，當(dāng)單片機(jī)接收到來(lái)自PC的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)是90H時(shí)，就會(huì)進(jìn)入將PC 發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)取反的子程序，并將取反后的數(shù)據(jù)返回。

在整個(gè)方案中單片機(jī)控制程序的作用主要有：(1)當(dāng)評(píng)估板上的按鍵按下時(shí)，CH451通過中斷通知單片機(jī)，然后單片機(jī)從CH451的緩沖區(qū)中讀取鍵碼值，單片機(jī)再通過中斷通知PC機(jī)，PC進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序進(jìn)行處理；2)當(dāng)PC發(fā)送命令時(shí)，CH371通過中斷通知單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)該命令做出響應(yīng)，或控制CH451，或返回應(yīng)答數(shù)據(jù)，流程圖如圖4所示。



圖4 單片機(jī)控制程序流程圖 

PC端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制程序編寫的可行性，需要在PC端用VB編寫一個(gè)測(cè)試程序，用以測(cè)試硬件電路在數(shù)據(jù)通信方面是否暢通。程序用到了4個(gè)窗體，2個(gè)模塊。其中兩個(gè)模塊主要是定義一些全局變量、函數(shù)，以及API函數(shù)的聲明（因?yàn)檫@些函數(shù)只有在聲明以后才能調(diào)用），設(shè)計(jì)4個(gè)窗體是為了更好地完成演示板的各項(xiàng)功能。

（1）主界面設(shè)計(jì)

演示主界面如圖5所示。



圖5 主界面 

功能說(shuō)明：在電路板上有三個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)這三個(gè)按鍵有三個(gè)不同的演示程序。根據(jù)該界面的提示，每按下一個(gè)按鍵就進(jìn)入相應(yīng)的演示程序，而演示完一個(gè)程序后可以退回該界面進(jìn)行另外演示程序的選擇。 2）同步可調(diào)實(shí)時(shí)時(shí)鐘演示程序

界面設(shè)計(jì)如圖6所示。



圖6 與真實(shí)時(shí)間同步的可調(diào)時(shí)鐘演示界面 

功能說(shuō)明：進(jìn)入該演示程序后，PC會(huì)通過命令使數(shù)碼管上顯示當(dāng)前時(shí)間，但時(shí)鐘不走動(dòng)。

“啟動(dòng)時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o時(shí)鐘開始走動(dòng)。

“校準(zhǔn)時(shí)鐘”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，文本框下的六個(gè)命令按鈕會(huì)被激活，它們分別對(duì)應(yīng)六個(gè)數(shù)碼管。單擊修改時(shí)間對(duì)應(yīng)的按鈕，會(huì)彈出對(duì)話框，要求輸入要修改的時(shí)間。 

“校時(shí)確定”：當(dāng)時(shí)間校準(zhǔn)好以后，單擊命令按鈕，這時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框提示是否已經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)間，否則可以繼續(xù)修改。若確定以后，時(shí)鐘又可以正常走動(dòng)。 

“返回主窗體”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o回到窗體一，以便繼續(xù)進(jìn)行其他程序的演示。 

（3）CH451各項(xiàng)功能演示程序 
界面設(shè)計(jì)如圖7所示。



圖7 鍵盤控制和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片CH451各項(xiàng)功能演示界面 

功能說(shuō)明:當(dāng)進(jìn)入該演示程序后，會(huì)自動(dòng)在數(shù)碼管上加在字?jǐn)?shù)據(jù)“HELPHELP”。

“右（左）移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o，數(shù)碼管上的字會(huì)向右（左）移動(dòng)，左（右）邊移出的空位會(huì)加0。

“右（左）循環(huán)移位”：?jiǎn)螕裘畎粹o會(huì)使數(shù)碼管的數(shù)據(jù)分別向右(左)循環(huán)移位。

“加載字?jǐn)?shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框提示“要加載字?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)單擊相應(yīng)的文本框”。此時(shí)文本框會(huì)被激活，當(dāng)單擊文本框后，會(huì)再次彈出對(duì)話框，要求輸入要加載的字?jǐn)?shù)據(jù)。輸入完并確定后，數(shù)碼管上就會(huì)顯示加載的字?jǐn)?shù)據(jù)了。 “閃爍”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框提示“要是數(shù)碼管閃爍請(qǐng)單擊對(duì)應(yīng)的單選按鈕”，同時(shí)8個(gè)單選按鈕會(huì)被激活。每個(gè)單選按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)碼管，選中相應(yīng)的單選按鈕后，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就會(huì)閃爍。當(dāng)再選中另外的單選按鈕后，前一個(gè)就會(huì)停止閃爍。

“亮度控制按鈕”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，彈出對(duì)話框提示“請(qǐng)單擊相應(yīng)的單選按鈕進(jìn)行亮度的選擇”，同時(shí)，十六個(gè)單選按鈕會(huì)被激活，它們對(duì)應(yīng)控制數(shù)碼管的十六級(jí)亮度顯示，當(dāng)選中第一個(gè)按鈕時(shí)，數(shù)碼管會(huì)變的最暗，當(dāng)依次選中其他的按鈕時(shí)，亮度會(huì)依次遞增。

“DEFAULT”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)回到默認(rèn)狀態(tài)。即：字?jǐn)?shù)據(jù)顯示為“HELPHELP”；閃爍的數(shù)碼管會(huì)停止閃爍；數(shù)碼管的亮度會(huì)變?yōu)?6級(jí)亮度。

“熄滅數(shù)碼管”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，數(shù)碼管會(huì)熄滅。

“退出”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)返回主窗體。


批量數(shù)據(jù)傳輸演示程序

界面設(shè)計(jì)如圖8所示。



圖8 PC和AT89C51之間通過USB接口芯片CH371的數(shù)據(jù)塊傳輸界面 

功能說(shuō)明：

“發(fā)送數(shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，會(huì)彈出對(duì)話框，首先要求輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，然后會(huì)彈出對(duì)話框要求輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)在文本框中顯示，以便和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，看單片機(jī)是否做出了正確的應(yīng)答。

“接收數(shù)據(jù)”：?jiǎn)螕粼撁畎粹o后，PC會(huì)首先發(fā)送一個(gè)命令給單片機(jī)，要求單片機(jī)對(duì)剛才發(fā)送的命令做出響應(yīng)。單片機(jī)接收到此命令后會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按位取反，然后返回給計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到返回的數(shù)據(jù)后會(huì)在文本框中顯示出來(lái)。

“退出”：?jiǎn)螕粼摪粹o后會(huì)返回主窗體。


程序調(diào)試的體會(huì)

該演示程序最關(guān)鍵的就是要使得PC和單片機(jī)之間能夠通過CH371接口芯片進(jìn)行通信，這必須用到該公司提供的API函數(shù)。調(diào)試時(shí)需要事先理解這些函數(shù)的作用以及各個(gè)參數(shù)的具體意義。PC的命令和數(shù)據(jù)能夠很容易就傳給單片機(jī)，但單片機(jī)得到的按鍵值卻無(wú)法傳到PC機(jī)。后來(lái)筆者在查閱了一本關(guān)于在Visual Basic中調(diào)用API函數(shù)的書后終于找到了問題的原因所在，通過修改一下API函數(shù)的中的參數(shù)，終于使得PC和單片機(jī)之間能夠進(jìn)行雙向的通信，這一步成功后其余的調(diào)試就比較容易進(jìn)行了。

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