基于C8051F340的USB通讯设计的实现

沈鑫彪

摘要：该设计旨在通过USB（Universal Serial Bus）通讯技术2.0版本协议以及C8051F340芯片尝试与计算机通讯的可行性。通过运用C8051F340这款51家族的高性能芯片的相关寄存器的功能，再根据USB 2.0版的通讯协议完成下位机的固件编写，然后，在主机上编写VB（Visual Basic）的相应接口函数，完成数据传送的工作。经过实验，可以完成下位机与上位机连接，并完成数据传送。

关键词：C8051F340；USB通讯；Visual Basic

中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0266-03

USB设备以其热插拔、简单易用的特性被广泛运用在社会的各个领域[1]。部分医疗设备在提供媒体文件，例如图片、视屏等时，也都选择USB作为通讯接口，以方便医院医生可以方便取出所需资料，完成科研或教学工作。但是由于USB的广泛化，导致其的个性化功能很少有厂家提供一套合理有效的方案。本设计通过USB相关协议的学习，将其在C8051F340这款芯片上实现与主机的连接及数据传输，为医院定制自己个性化USB移动设备提供支持。

1 系统设计

本设计不但尝试了和主机建立连接，而且完成随时数据读入，然后传输。数据读入部分用的是CCD芯片输出的数据。

本系统的流程框架为驱动模块成功驱动CCD芯片之后，用AD（Analog to Digital）转换芯片将CCD输出的模拟量数据化，然后读入主控芯片，主控芯片再利用USB传输将数据上传至主机，主机上的程序就会连接数据库，数据库再进行进一步的查询工作。系统框架如图1所示。

1.1条形码数据读取

本设计采用的CCD型号是TCD1206SUP。CCD芯片的驱动需要一个时序产生模块，按照手册说明，提供相应频率和时序的触发信号，就可以成功驱动CCD芯片，完成图片扫描并将数据传输给主控芯片C8051F340。为了检验数据的正确性，本设计在下位机也设置了一个显示模块，使用了型号为12864的液晶显示屏。主控芯片接收传输过来的数据后，进行一定的编码处理后，就把数据一个一个送入主控芯片的USB数据发送缓存区。

图2和图3为CCD驱动信号，图2分别是RS复位信号和Φ1移位信号，RS的下降沿与Φ1移位信号的电平跳变沿对应，RS为1M，Φ1为0.5M，RS占空比约为1/3；图3为Φ1和Φ2移位信号，两个信号根据手册为互补信号，占空比为1/2。

1.2 USB数据传输[2-3]

在USB通讯中，每一次通讯都由主机通过轮询方式发起，本设计采用的USB传输协议是2.0版本，借用C8051F340的特定USB寄存器完成USB传输工作。根据USB2.0协议，通讯前首先要进行一些USB传输的各个描述符的配置和主控芯片C8051F340相关寄存器的配置。

1.2.1 USB描述符设置

由USB协议2.0可知，USB的描述符有设备描述符、配置描述符、接口描述符和终端描述符等。这些描述符在设计固件时被存放在一个结构体中，并以常量的形式存放在ROM（Read-OnlyMemory）中，即本设计主控芯片C8051F340的相关寄存器中，所以在设备使用过程中是不能改变的。

设备描述符中有关于这个设备的基本信息所存储的地址，方便主机接下来的访问。它是在设备连接主机时主机读取的第一个描述符。以下为本设计所用的设备描述符。

18， // 字节长度

0x01， // 固定设备（01h）

SWAP16（0x0200）， // USB规范发布号（BCD），此处选2.0版本

0x00， // 类代码

0x00， // 子类代码

0x00， // 协议代码

EP0_PACKET_SIZE， // 终端0最大包的大小

SWAP16（USB_HID_VID）， // 销售商ID （unsigned int）0xe001

SWAP16（USB_HID_PID）， // 产品ID（unsigned int）0x02ff

0x0001， // 设备发布号（BCD）

0x01， // 制造商字符串描述符的指针

0x02， // 产品字符串描述符的指针

0x03， // 包括了序列号的字符串描述符的指针

0x01 // 配置的号码

主机在接收到设备的配置、接口和终端描述符访问地址以后，会请求选择一个配置并用函数Get_Configuration请求来读入当前的配置，在固件中有一个同名的函数来上传该描述符。在主机发起的轮询中，有11种标准请求，Get_Configuration即为其中一个，其字段取值为8。配置描述符有8个字段。这个描述符包括如下信息：描述符本身、配置和在该配置下设备的电能使用情况。对很多配置，一些字段是用不到的。以下为本设计所用的配置描述符。

0x09， // 描述符的字节长度

0x02， // 固定配置（01h）

SWAP16（ sizeof（ CON_INT_HID_EP_DESCRIPTOR ） ） ， // 所有数据的字节大小

0x01， // 该配置支持的接口号

0x01， // 请求的标识符

0x00， // 字符串描述符的指针

0x80， // 自供电，不支持唤醒

USB_MAX_PWR/2 // 需要的总线电能

每个配置必须支持一个接口，并且对很多设备来说，一个就够了。主机请求申请一个新的接口，并用一个Get_Interface请求来读取当前的接口，然后固件用一个同名的函数上传相应描述符。改变接口比改变配置容易，改变配置要影响这个设备。

一个接口描述符有9个字段。很多设备不需要所有这些字段，例如那些允许替换的设置和协议。以下为本设计所用的接口描述符。

0x09， // 描述符的字节长度

0x04， // 固定接口（04h）

0x00， // 识别这个接口的号

0x00， // 用于选择一个替换设置的值

0x01， // 支持的终端号，除了终端0

0x03， // 类代码

0x01， // 子类代码

0x02， // 协议代码

0x00 // 接口的字符串描述符的指针

以下为本设计的终端描述符。其中0x05表示固定的终端，EP_INTERVAL为一个宏定义。

0x07， // 描述符的字节长度

0x05， // 固定终端（05h）

0x81， // 终端号和方向

0x03， // 支持的传输类型

SWAP16（ EP1_PACKET_SIZE ）， // 支持的最大包的大小

EP_INTERVAL // 查询间隔，以ms为单位

一个字符串描述符包含了描述文本。USB协议规范为制造商、产品、序列号、配置和接口定义了字符串描述符。一个设备也可以支持其他的字符串描述符。字符串描述符是可选择的。在此就不罗列该字符描述符信息了。

对于任何USB设备，HID（Human Interface Device）的描述符告诉了主机为了和设备通信，它需要知道什么。主机发送Get_Descriptor来请求包含HID的接口配置，类描述符可以有7个或更多个字段，这取决于其他描述符的数量。以下为本设计所用的HID描述符。

9，// 描述符的字节长度

0x21， // 21h表示HID类

SWAP16（0x0110）， // HID规范发布号（BCD）

33， // 识别本地化硬件的国家的数字表达式（BCD）

1， // 支持的从属类描述符的数量

0x22， // 类描述符类型

SWAP16（ sizeof（ ReportDesc ） ） // 报告描述的总长度

1.2.2 C8051F340相关寄存器的配置

C8051F340芯片集成了一个完整的全速/低速USB功能控制器，用于实现USB外部设备（C8051F340不能被用作USB主设备）。C8051F340又包括除了USB0DAT、USB0ADR和USB0XCN这些51寄存器之外的USB控制寄存器，共二十几个（不包括FIFO）。USB控制寄存器又分为公共寄存器、中断寄存器、索引寄存器和FIFO访问。

本设计采用的主控芯片是C8051F340。C8051F340是51家族的一款高速多引脚集成了USB外设的高性能主控芯片，具有64K片内FLASH存储器、4352B片内RAM（Random Access Memory）以及丰富的外设资源，具体详细参数可以参阅该芯片数据手册。

下位机做好相关初始工作，包括USB使能，开中断允许和USB相关寄存器设置，之后就是上位机的中断信号的触发了，触发后就进入中断。其中断后的程序是通过分支结构实现的，结构框图如图4。

1.3主机查询显示

本设计的PC端软件采用VB6.0开发，底层驱动采用WinDriver10.00，是一款由Jungo公司研制开发的可视化的硬件驱动开发平台。

由于VB不包含访问一般USB设备的控制[4]，而要使用WinDriver动态连接库中的接口函数（API， Application Programming Interface）。因为API函数对传递和返回的变量有特殊的要求[5]，出现错误不会导致应用程序或系统的崩溃，但要用VB正确调用这些函数，就必须要对VB中的调用函数进行适当改动。为了使编程更简单、更安全，VB对一般任务有它自己的控制。

只要下位机的USB固件程序编写正确，就都可以利用WinDriver这款软件顺利生成想要的驱动程序。本设计用到的动态连接库有WDAPI1000.DLL和XP系统中的kernel32.DLL。下面即为将WDAPI1000.DLL文件中的ThreadLoopStart声明为VB_ThreadLoopStart，以供VB的正确调用[6]，主要考虑到数据类型的匹配。

Declare Function ThreadLoopStart Lib "WDAPI1000.DLL" Alias "VB_ThreadLoopStart" （ _

ByRef phThread As Long， ByVal pFunc As Long， ByVal pData As Long， _

ByVal hWnd As Long） As Long

2测试与结果

本设计所使用的计算机系统版本是XP profession SP3。提供测试用的间有黑白条纹的纸板来给CCD扫描读取，经过编码后得出一串只有“0”和“1”的代码。主机程序中预置一个对应不同代码的文字信息，然后根据USB传输的代码对应显示相关信息。图5为主机上显示信息的界面。

3结论与总结

C8051F340芯片外围集成USB功能，有许多的USB功能寄存器可供调用，学习相关资料手册，无论是驱动CCD芯片，还是USB通讯都可以完成工作。

所选择的C8051F340主控芯片的PWM管脚输出频率不能达到预期驱动CCD的频率，导致需要另加一块时序产生模块，该控制芯片的端口资源充分利用起来还可以提供更多的实用功能。前端CCD扫描的光路设计不能符合预期要求，以至于在扫描条形码时不能达到预期效果，只能识别简单的黑白条纹。

通过本系统方案的设计及实施，对USB传输协议框架有了一个理性认识，为以后定制USB移动设备提供技术支持，完成更多相关技术产品的开发。

参考文献：

[1]向文芳，邢涛，曹红兵，等.高速数据采集系统的USB接口设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（10）：2567-2570.

[2] 美国迈舍尔公司. USB系统体系[M]. 孟文，译. 2版.北京：中国电力出版社，2003.

[3] Jan Axelson. USB大全[M]. 陈逸，译.北京：中国电力出版社，2001.

[4] 李丹，胡满红，金新民.对VB的USB接口虚拟示波器的设计[J].济源职业技术学院学报，2007，6（1）：8-10.

[5] 徐袭，杨志红，吴汉松.基于VB的USB设备检测通信研究[J].计算机应用研究，2002（11）：99-102，111.

[6] 王希望，于华丽，刘丽娟，等.基于VB的USB通信系统在智能温湿度检测仪中的应用[J].仪表技术与传感器，2007（10）：16-17，32.