基于USB總線接口的控制系統設計

朱 靜，錢 敏，楊翠軍

（蘇州大學 電子信息學院微電子系，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

通用串行總線是一種高效、快速、雙向和支持熱插拔的新型接口，可實現 PC機與外設的通信。同時，它使用了一種易于擴展的結構，理論上可接127個設備[1]。當前，越來越多的電子產品中都會涉及到USB接口。因此，對基于USB接口的通信系統的研究是非常必要的。目前USB3.0協議已經制定并將大行其道。

基于USB接口設計了符合USB1.1協議的控制系統。整個系統通過 PC機的應用程序界面控制操作，USB接口負責單片機與PC機的通信?？傮w設計方案為：選用 Atmel公司的 MCU芯片STC89C52RC和Philips公司的USB控制接口芯片PD12，進行系統的硬件設計和軟件編程。硬件設計主要是 PD12與單片機間的接口電路及外圍電路單元(如LCD、按鍵)，軟件分為3部分：①固件，控制PD12識別USB數據流、輸入輸出等；②USB功能設備驅動程序，介于硬件和應用軟件之間，提供橋梁作用；③客戶應用程序，完成頂層軟件對底層硬件的控制。

1 USB協議及PD12簡介

USB是一種數據傳輸總線協議。首先，USB系統被定義為3部分： ①USB的連接；②USB的主機；③USB的設備。主機在USB通信中居于核心地位，它與USB設備的通信模型如圖1所示。主機和設備都被劃分成不同的層次[2]，每個層次的實現對USB有不同的要求。

圖1 USB通信模型之間的基本信息流

USB數據流是協議中的重點內容。從邏輯上講，USB數據的傳輸是通過虛擬管道進行的。實際上，主機與設備的通信過程如下：設備驅動程序首先調用USB驅動接口(USB Driver Interface)發出I/O請求(IRP, I/O Request Packet)；USB驅動程序收到該請求后，調用主控制器接口，將IRP轉化為USB的基本傳輸；通過主控制器將該傳輸解析成總線操作并以數據包(Packet)的形式輸出。

USB發展經歷了1.0、1.1、2.0、3.0版本，由于本項目中數據傳輸速率要求不高，故采用符合USB1.1的PD12芯片。它是USB控制接口芯片，集成了SIE、FIFO存儲器、收發器及電壓調整器[3]。是一款帶有并行總線的USB器件，支持本地DMA傳輸。這些特點在系統實現時能節約成本，外設能實現更高級的USB功能。PD12需單片機配合才能完成USB通信，單片機利用讀寫外部存儲器方式來執行該芯片的通信功能命令。

2 硬件系統設計框圖及介紹

基于 USB接口的控制系統硬件組成包括單片機、USB接口芯片及一些外圍電路元件(如數碼管、LED發光管、蜂鳴器等)。如圖2所示是系統硬件設計框圖，主要由5個部分組成：PC主機用于對后臺的控制；USB接口是主機和外設之間連接的橋梁；USB接口芯片完成數據通信功能，并讀入微控制器中處理；微控制器選用STC89C52RC芯片，完成各部分控制功能和USB傳輸協議；外圍電路元件用來檢驗系統的通信是否成功。

圖2 系統的組成框

3 固件設計

固件是運行于單片機中的前臺控制程序，采用KeilC51編譯生成。為了使PD12在USB上的數據傳輸速率盡可能大，固件被設計成完全的中斷驅動模式，前后臺分開工作，并通過事件標志和 Setup包數據緩沖區來實現數據的交換[4]。通常，USB固件程序包含3部分：①初始化整個電路；②主循環部分；③中斷服務程序。

固件軟件系統結構模塊[4]如圖3所示。

圖3 系統固件的結構

硬件提取層：它是固件最低層的代碼，完成對單片機I/O口和硬件接口進行操作。

PD12命令接口：對PD12的所有功能進行訪問并操作，簡化PD12編程。

中斷服務程序：對 PD12發出的中斷請求進行處理，從 PD12內部讀數據到存儲器，并設置事件標志，以便主循環進一步處理。

標準請求和廠商請求：對協議中各種標準請求以及用戶添加的特殊請求進行處理。

主循環：首先初始化微控制器單元的所有端口、存儲器和中斷服務程序，然后進入循環，輪詢各種狀態并進行相應的處理。

該程序結構具有高度的可移植性以及很好的可擴展性，它按功能將復雜的過程分成多個簡單的模塊處理，采用事件標志和緩沖存儲，有效地將各個模塊聯系起來，能夠完成微控制器和 PC機之間的USB通信。

4 USB設備驅動程序設計

由于Windows中沒有現成的驅動程序支持設備的使用，因此必須編寫與 PD12數據通信相匹配的功能層設備驅動程序。

設備驅動程序提供操作系統與硬件的接口，支持用戶與應用程序間的信息交換。軟件程序在Visual C++6.0的環境下完成，使用Compuware公司的 DriverStudio工具生成驅動程序框架[5]，用戶對其進行修改并加入自己的功能代碼，大大縮短了開發的時間。

采用 Windows驅動程序模型(WDM, Windows Driver Model)，其架構如圖4所示。它是一種基于Windows平臺的設備驅動程序模型，采用靈活的分層處理方法，不僅可以接收來自其上層驅動程序提供的相關服務，而且可以通過發送IRP請求與其他驅動程序進行通信[6]。

圖4 WDM型的USB驅動程序架構

USB驅動程序的工作流程如下：首先，用戶應用程序調用Windows API函數，向驅動程序發出請求，并將相關數據打包成IRP，IO管理器捕獲IRP并進行相應處理；然后，IO管理器向USB功能設備驅動程序發送IRP包，請求功能設備驅動程序進行相應處理；最后，功能設備驅動程序處理完接收到的 IRP，設好相關環境后將其傳給更底層的驅動程序，由總線驅動程序完成對硬件的操作，并將結果返回。中間層驅動程序相當于過濾器，可不做任何事，只是向下傳遞IRP。

5 USB設備應用程序設計

USB設備應用程序的作用是為主機與 USB外設提供通信橋梁，實現主機對 PD12的管理與操作，為用戶提供友好的人機交互界面。它是系統與用戶的接口，不能直接去訪問USB設備，必須通過調用驅動程序來完成對外圍設備的控制和通信。

應用程序在Visual C++6.0環境中開發實現，使用它提供的微軟基礎類(MFC, Microsoft Foundation Class)來編寫程序，MFC對Win32 API函數進行封裝，提供了大量的類庫和代碼支持[7]，可實現大部分API功能，大大簡化了應用程序的編程。

應用程序主要向硬件發送數據或命令。它與驅動程序的通信主要是通過驅動程序提供的函數來實現的，過程如下：應用程序首先調用 CreateFile函數打開 USB設備，獲得設備句柄；然后利用該句柄，應用程序調用DeviceIoControl函數與WDM驅動程序進行通信；最后在退出應用程序之前，應調用CloseHandle函數來關閉該USB設備[8]。

圖5為PC機與USB設備進行通信的應用程序簡單界面。首次將前臺被控端與 PC機相連需安裝驅動程序，用戶基于該界面在 PC端進行各功能的操作，如在文本框中輸入字符、點擊相關按鈕等，設備端可以作出相應的反應。調試結果表明，數據在該系統中傳輸無誤，程序運行正常可靠。

圖5 應用程序簡單界面

6 結語

提供了一種基于USB接口的控制系統的設計方法，通過實際的硬件實現和軟件調試，數據能夠在該系統中快速無誤地傳輸，可應用在各種電子產品中實現與PC機進行準確的數據傳輸[9]。但在硬件通信協議方面，可以選用符合 USB2.0協議的接口芯片，加快通信的速度，使圖像傳輸等高速通訊成為可能。在軟件方面，設計的方式和源代碼的實現可以采用更優化的方法。相信隨著USB總線技術的不斷發展，它的應用領域會越來越廣闊。

[1] 邊海龍, 賈少華. USB2.0設備的設計與開發[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.

[2] 胡曉軍, 張愛成. USB接口開發技術[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[3] 胡凱, 龔莉萍, 陳云榕. 基于 USB2.0的數字高速采集設備設計[J]. 通信技術, 2009, 42(07):45-47.

[4] 周立功. PDIUSBD12固件編程與驅動開發[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5] 陳亞娟. USB廣播播放控制系統設計[J]. 通信技術,2009, 42(02):292-294.

[6] 武安河. Windows2000/XP WDM設備驅動程序開發[M].北京：電子工業出版社，2005.

[7] 張岳新. Visual C++程序設計[M]. 蘇州：蘇州大學出版社，2002.

[8] 鄢斌. 基于USB接口密碼模塊的可信計算平臺設計[J].信息安全與通信保密，2011(05):107-109.

[9] 張建軍, 杜莉. 防跟蹤 USB接口加密狗的設計[J]. 信息安全與通信保密，2010(10):58-59,62.