基于单片机USB通讯接口的硬件设计

摘要：USB（Universal Serial Bus，即通用串行总线）是一种快速、双向、廉价、支持热插拔的通信接口，USB通信技术已在大多数数码电子产品中获得应用。本文设计了一种由Philips公司的PDIUSBD12芯片和AT89S51单片机等组成的USB通信接口电路，使PC机可以通过PDIUSBD12与单片机进行数据传输。

关键词：USB、MCU、PDIUSBD12、AT89S51、原理图、PCB

一 绪论

1.1 课题研究背景及意义

USB总线是通用串行总线(Universal Serial Bus)的简称。在早期的计算机系统上常用串口或并口连接设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源（如I/O地址、DMA通道等）。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与设备的互联。和传统的串并口相比USB总线具有低成本，使用简单，支持即插即用，易于扩展，应用范围广等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。USB接口还具有数据传输速率高，使用方便等特点。USB1.1协议规定的全速传输速率为12Mbit/s，而USB2.0协议所规定的高速传输速率为480Mbit/s，非常适合有大量数据传输的系统。但USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。

通用串行总线是近年来应用在PC领域的新型接口技术，是一些PC大厂商，如Microsoft、Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1995年在Comdex上亮相以来至今已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持USB是应用在PC领域的新型接口技术。目前USB数据总线已经在各种计算机中得到普及，并成为计算机的标准外设。

现在的USB生产厂商很多，几乎所有的硬件厂商都有USB的产品。USB控制器一般有两种类型：一种是MCU集成在芯片里面的，如Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以及MOTOLORA、National Semiconductors等公司的产品；另一种就是纯粹的USB接口芯片，仅处理USB通信，如PHILIPS的PDIUSBDII(IC接口)、PDIUSBPIIA、PDIUSBDI2(并行接口)，NationalSemiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。前一种由于开发时需要单独的开发系统，因此开发成本较高；而后一种只是一个芯片与MCU接口实现USB通信功能，因此成本较低，而且可靠性高。它是由Compaq、Hp、Intel、Lucent(朗讯)、Microsoft、NEC和Philips七家公司联合推出的新一代标准口总线，该总线是一种连接设备的机外总线，最多可连接127个设备，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便，不仅解决了I/O插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设的方法，这些方法可以有效的减少总体成本，减少硬件冲突。因此，我们能够利用USB总线接口比较容易的实现低成本、高可靠性的多点数据采集系统。由于USB的种种优点，被越来越多的厂商和用户所接受，出现了USB打印机、摄像机等产品。尽管目前USB接口的应用主要集中在电脑的周边外设，但是USB产品进入工控领域将是必然的趋势，所以本课题的研究是具有一定的现实意义和经济意义的。

二、 系统的整体设计

目前，作为8位单片机市场占有率第一的Atnel公司，己经宣布停产。曾经风光无限的AT89C51，取而代之的是AT89S51。与AT89C51相比，AT89S51在许多方面进行了改进，如采用0.354cm新工艺、成本更低等，但最重要的改进是增加了ISP(系统可编程)功能。ISP为单片机的实践和开发带来了极大的方便和灵活性。利用ISP，不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即可，甚至可以远程在线升级或改变单片机中的程序。

2.1 系统设计方案

在微处理器和USB接口的选择上主要有两种方式。一种方案是采用具备USB通信功能的单片机。随着USB应用的日益广泛，Intel-SGS-Tom son、Cy-press Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，构成系统的电路简单，调试方便，是构成USB数据传输系统较好的方案。但是由于具备了USB接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。另一种方案是采用普通单片机加专用USB通信芯片。从成本上考虑，采用第2种方案，选用Atmel公司的AT89S51单片机和飞利浦公司的PDIUSBD12芯片构成系统。AT89S51价格便宜，具有ISP功能。PDIUSBD12是一款高性价比的USB器件，开发设计和调试并不困难。

基于USB接口的硬件组成包括USB通信接口芯片、AT89S51单片机、外设PC机，其硬件总体结构见图2.1。AT89S51单片机发出一个指令，经过USB接口芯片，由PC机执行。

PDIUSBD12是飞利浦公司推出的一款高性价比的USB固件，完全符合USB 1.0的协议规范，自带并行接口，可与多种MCU相结合，其硬件连接原理如图2.2所示。另外，它还支持本地的DMA(直接存储器存取)传输，为微控制系统与PC机进行大规模数据传输提供了解决方案。

PDIUSBD12所具有的挂起低功耗功能，可以满足USB电源管理的要求，可使其应用于使用总线供电的外部设备。此外，它集成了内部上拉电阻(用于软件控制总线的开关)、连通指示等功能。

AT89S51控制器与PDIUSBD12通过8位并行总线连接(采用地址总线与数据总线复用的方式)，采用MCU与PDIUSBD12结合的形式实现USB数据的高速传输，使系统变得形式灵活、编程简洁、成本低廉。

本课题的整体框图如图2.3所示，硬件系统资源包括：串口通信、6位动态数码显示、8位流水灯、蜂鸣器、4×4矩阵键盘、温度传感器、液晶显示器接口、PDIUSBD12芯片接口等。

每个元件与单片机都有单独的电路连接，均以单片机为控制核心，使单片机能独立的控制每个元件的正常工作。再通过USB接口（PDIUSBD12芯片），上位机能与单片机实现通信，上位机发送信息到单片机，单片机根据上位机信息控制电路的工作；设备发送信息到单片机，单片机反馈到上位机，在上位机的控制界面上显示状态信息。

串口通信的介绍：串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

它很简单并且能够实现远距离通信。

三、 硬件设计

3.1 系统原理图设计

3.1.1 单片机最小系统的设计

单片机最小系统主要包括其供电系统，时钟电路和复位电路。本系统中单片机供电电路和时钟电路都做了简化处理，单片机的系统复位电路采用手动复位。单片机电路如图3.2所示，其中：

1、单片机采用外接晶振的方法，是外接晶振，频率为11.0592MHz；

2、复位电路采用按键复位；

3、PDIUSBD12使用单片机的外部中断0。在程序里将单片机和PDIUSBD12设置为相同的中断方式，即电平中断。然后由PDIUSBD12自动清除中断脚上的低电平，以便接受下次中断。

1.时钟电路描述

在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1、XTAL2引脚外界石英晶体（简称晶振），就构成了自激荡震荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值30Pf，晶振的频率为11.0592MHz。

2.复位电路描述

为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，

复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。复位电路要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，再开机的瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降，RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作，该电路的电阻和电容参数为：C1为10uF、R1为10k、R2为1k。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。