基于USB总线接口的控制系统设计

朱 静，钱 敏，杨翠军

（苏州大学 电子信息学院微电子系，江苏 苏州 215006）

0 引言

通用串行总线是一种高效、快速、双向和支持热插拔的新型接口，可实现 PC机与外设的通信。同时，它使用了一种易于扩展的结构，理论上可接127个设备[1]。当前，越来越多的电子产品中都会涉及到USB接口。因此，对基于USB接口的通信系统的研究是非常必要的。目前USB3.0协议已经制定并将大行其道。

基于USB接口设计了符合USB1.1协议的控制系统。整个系统通过 PC机的应用程序界面控制操作，USB接口负责单片机与PC机的通信。总体设计方案为：选用 Atmel公司的 MCU芯片STC89C52RC和Philips公司的USB控制接口芯片PD12，进行系统的硬件设计和软件编程。硬件设计主要是 PD12与单片机间的接口电路及外围电路单元(如LCD、按键)，软件分为3部分：①固件，控制PD12识别USB数据流、输入输出等；②USB功能设备驱动程序，介于硬件和应用软件之间，提供桥梁作用；③客户应用程序，完成顶层软件对底层硬件的控制。

1 USB协议及PD12简介

USB是一种数据传输总线协议。首先，USB系统被定义为3部分： ①USB的连接；②USB的主机；③USB的设备。主机在USB通信中居于核心地位，它与USB设备的通信模型如图1所示。主机和设备都被划分成不同的层次[2]，每个层次的实现对USB有不同的要求。

图1 USB通信模型之间的基本信息流

USB数据流是协议中的重点内容。从逻辑上讲，USB数据的传输是通过虚拟管道进行的。实际上，主机与设备的通信过程如下：设备驱动程序首先调用USB驱动接口(USB Driver Interface)发出I/O请求(IRP, I/O Request Packet)；USB驱动程序收到该请求后，调用主控制器接口，将IRP转化为USB的基本传输；通过主控制器将该传输解析成总线操作并以数据包(Packet)的形式输出。

USB发展经历了1.0、1.1、2.0、3.0版本，由于本项目中数据传输速率要求不高，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存储器、收发器及电压调整器[3]。是一款带有并行总线的USB器件，支持本地DMA传输。这些特点在系统实现时能节约成本，外设能实现更高级的USB功能。PD12需单片机配合才能完成USB通信，单片机利用读写外部存储器方式来执行该芯片的通信功能命令。

2 硬件系统设计框图及介绍

基于 USB接口的控制系统硬件组成包括单片机、USB接口芯片及一些外围电路元件(如数码管、LED发光管、蜂鸣器等)。如图2所示是系统硬件设计框图，主要由5个部分组成：PC主机用于对后台的控制；USB接口是主机和外设之间连接的桥梁；USB接口芯片完成数据通信功能，并读入微控制器中处理；微控制器选用STC89C52RC芯片，完成各部分控制功能和USB传输协议；外围电路元件用来检验系统的通信是否成功。

图2 系统的组成框

3 固件设计

固件是运行于单片机中的前台控制程序，采用KeilC51编译生成。为了使PD12在USB上的数据传输速率尽可能大，固件被设计成完全的中断驱动模式，前后台分开工作，并通过事件标志和 Setup包数据缓冲区来实现数据的交换[4]。通常，USB固件程序包含3部分：①初始化整个电路；②主循环部分；③中断服务程序。

固件软件系统结构模块[4]如图3所示。

图3 系统固件的结构

硬件提取层：它是固件最低层的代码，完成对单片机I/O口和硬件接口进行操作。

PD12命令接口：对PD12的所有功能进行访问并操作，简化PD12编程。

中断服务程序：对 PD12发出的中断请求进行处理，从 PD12内部读数据到存储器，并设置事件标志，以便主循环进一步处理。

标准请求和厂商请求：对协议中各种标准请求以及用户添加的特殊请求进行处理。

主循环：首先初始化微控制器单元的所有端口、存储器和中断服务程序，然后进入循环，轮询各种状态并进行相应的处理。

该程序结构具有高度的可移植性以及很好的可扩展性，它按功能将复杂的过程分成多个简单的模块处理，采用事件标志和缓冲存储，有效地将各个模块联系起来，能够完成微控制器和 PC机之间的USB通信。

4 USB设备驱动程序设计

由于Windows中没有现成的驱动程序支持设备的使用，因此必须编写与 PD12数据通信相匹配的功能层设备驱动程序。

设备驱动程序提供操作系统与硬件的接口，支持用户与应用程序间的信息交换。软件程序在Visual C++6.0的环境下完成，使用Compuware公司的 DriverStudio工具生成驱动程序框架[5]，用户对其进行修改并加入自己的功能代码，大大缩短了开发的时间。

采用 Windows驱动程序模型(WDM, Windows Driver Model)，其架构如图4所示。它是一种基于Windows平台的设备驱动程序模型，采用灵活的分层处理方法，不仅可以接收来自其上层驱动程序提供的相关服务，而且可以通过发送IRP请求与其他驱动程序进行通信[6]。

图4 WDM型的USB驱动程序架构

USB驱动程序的工作流程如下：首先，用户应用程序调用Windows API函数，向驱动程序发出请求，并将相关数据打包成IRP，IO管理器捕获IRP并进行相应处理；然后，IO管理器向USB功能设备驱动程序发送IRP包，请求功能设备驱动程序进行相应处理；最后，功能设备驱动程序处理完接收到的 IRP，设好相关环境后将其传给更底层的驱动程序，由总线驱动程序完成对硬件的操作，并将结果返回。中间层驱动程序相当于过滤器，可不做任何事，只是向下传递IRP。

5 USB设备应用程序设计

USB设备应用程序的作用是为主机与 USB外设提供通信桥梁，实现主机对 PD12的管理与操作，为用户提供友好的人机交互界面。它是系统与用户的接口，不能直接去访问USB设备，必须通过调用驱动程序来完成对外围设备的控制和通信。

应用程序在Visual C++6.0环境中开发实现，使用它提供的微软基础类(MFC, Microsoft Foundation Class)来编写程序，MFC对Win32 API函数进行封装，提供了大量的类库和代码支持[7]，可实现大部分API功能，大大简化了应用程序的编程。

应用程序主要向硬件发送数据或命令。它与驱动程序的通信主要是通过驱动程序提供的函数来实现的，过程如下：应用程序首先调用 CreateFile函数打开 USB设备，获得设备句柄；然后利用该句柄，应用程序调用DeviceIoControl函数与WDM驱动程序进行通信；最后在退出应用程序之前，应调用CloseHandle函数来关闭该USB设备[8]。

图5为PC机与USB设备进行通信的应用程序简单界面。首次将前台被控端与 PC机相连需安装驱动程序，用户基于该界面在 PC端进行各功能的操作，如在文本框中输入字符、点击相关按钮等，设备端可以作出相应的反应。调试结果表明，数据在该系统中传输无误，程序运行正常可靠。

图5 应用程序简单界面

6 结语

提供了一种基于USB接口的控制系统的设计方法，通过实际的硬件实现和软件调试，数据能够在该系统中快速无误地传输，可应用在各种电子产品中实现与PC机进行准确的数据传输[9]。但在硬件通信协议方面，可以选用符合 USB2.0协议的接口芯片，加快通信的速度，使图像传输等高速通讯成为可能。在软件方面，设计的方式和源代码的实现可以采用更优化的方法。相信随着USB总线技术的不断发展，它的应用领域会越来越广阔。

[1] 边海龙, 贾少华. USB2.0设备的设计与开发[M]. 北京：人民邮电出版社，2004.

[2] 胡晓军, 张爱成. USB接口开发技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[3] 胡凯, 龚莉萍, 陈云榕. 基于 USB2.0的数字高速采集设备设计[J]. 通信技术, 2009, 42(07):45-47.

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[9] 张建军, 杜莉. 防跟踪 USB接口加密狗的设计[J]. 信息安全与通信保密，2010(10):58-59,62.