基于STC89C52芯片的USB接口低功耗设计方案-电子发烧友网

作者：张学峰;陈瑾;翟从鸿;彭文超;朱家俊

为解决51单片机与计算机的串行总线（USB）的通信问题，以PDIUSB12芯片为基础，选择51单片机中的STC89C52为示例，设计了一款USB的接口电路，解决了多款51单片机与计算机的USB通信困难的问题。

引言

USB因其使用方便、传输速度快、连接灵活而受到用户和计算机厂商的广泛青睐。微控制器（MCU）在与计算机实现通信时大多依靠USB来实现。在MCU中，51单片机是国内使用最广的单片机之一，但是由于多款51单片机无法直接与计算机实现USB通信，而给许多用户开发和使用带来不便。本文以51单片机中的典型代表STC89C52和恩智浦半导体公司的PDIUSB12为基础设计的USB接口电路，解决了MCU和计算机的USB通信问题。本方案具有价格便宜、使用简单、无需编写复杂的USB驱动程序、即插即用等优点。

1 电路硬件设计

1.1 芯片简介

本系统以单片机STC89C52和PDIUSB12接口芯片为基础而搭建。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位CMOS微处理器，具有经典的MCS-51内核，主要有以下功能特点：拥有灵活的8 KB Flash程序存储器和512 B RAM数据存储器，并含有32位I/O口和内置的4 KB EEPROM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止；最高运作频率35 MHz，是一种常用性价比较高的MCU。

USB接口芯片采用的PDIUSB12是一种高性能USB接口器件，集成了SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器。它支持本地的DMA传输，能够与外部的微处理器实现2 Mb/s的高速并行接口，集成了320 B的多配置FIFO存储器，在块传输模式下有1 Mb/s的数据传输率，可通过软件实现与USB相连，多中断模式实现批量和同步传输［1］。可以把PDIUSB12、MCU与计算机连接，本设计中与计算机相连的结构图如图1所示。

1.2 硬件电路

由STC89C52和PDIUSB12构成的USB接口电路图如图2所示，PDIUSB12的8位并行数据分别与STC89C52的P0口连接；ALE表示地址锁存功能，与GND相连，关闭地址信息锁存；CS_N表示片选功能，与GND相连，芯片一直处于工作状态；SUSPEND与GND相连，挂起功能失效；中断请求引脚INT_N与MCU的外部中断INT0相连，低电平时有效；RD_N和WR_N为控制信号，分别与单片机P3.3口和P3.4口相连；地址位A0与单片机P3.5口相连，当A0为高电平时表示单片机发出命令指令，当A0为低电平时表示单片机发出数据指令；DMA请求引脚DMREQ悬空；DMA应答引脚DMACK_N低电平时有效，它与VCC相连无DMA应答；可编程时钟输出DMACK_N悬空［2］。

USB设备有两种供电方式：总线供电和自供电方式，为了方便使用、减少外围电路的复杂程度，本文选择了总线供电方式。USB接口有4个引脚，分别是5 V的VCC口、GND、数据口D+和D-。LED灯D2与USB的VCC口和GND相连，当系统与USB接口连接时，D2灯亮。数据口D+、D-用于通信，也可通过D+、D-的电位状态来判断系统是否被计算机识别。当电位差接近GND时，表示系统与计算机连接未成功；当电位差接近VCC时，表示系统已做好准备可以与计算机通信。也可以通过GL_N脚的LED灯D1来进行判断：当D1间歇闪烁，表示系统正在与计算机进行识别；当D1一直点亮，表示已成功完成识别，可以通信。

2 系统软件设计

对51单片机和PDIUSB12的USB系统而言，其核心部分是程序设计，主要包括驱动软件部分、固件程序部分和应用软件部分。为简化设计，驱动软件利用Windows自带的驱动软件，使用HID系统接口协议，省去了驱动软件的开发过程。因此固件程序和应用软件程序是系统的关键部分。

2.1 USB设备与计算机通信过程

PDIUSB12拥有PSIE（Philips串行接口引擎）功能，PSIE实现了全部的USB协议层，并完全由硬件实现而不需要软件的参与。该模块的功能包括同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生。要实现计算机与USB设备的通信，需要在USB设备接入计算机时进行枚举过程［3］，也就是让计算机识别与设置USB设备、设备与主机之间的通信通过控制传输模式进行。其过程主要如下：

（1）当USB设备接入计算机时，USB设备处于上电状态，单片机和PDIUSB12上电。在PDIUSB12芯片内部的D+、D-上集成有1.5 k？赘的上拉电阻，默认状态下此上拉电阻不与VCC相连。上电后，若将D+拉至高电平，根据集线器监测到的数据变化，识别出有高速设备接入；若上拉电阻将D-拉至高电平，识别出有低速设备接入。本系统设定的是高速USB设备。在MCU完成初始化操作中，设置D+为高电平。

（2）当计算机检测USB设备已经接入并判断出是高速设备还是低速设备后，计算机会发送Set_Port_Feature请求给集线器用以管理端口USB设备，并将D+、D-置低电平状态（即复位状态），持续10 ms后回到通信状态。在计算机发送完Set_Port_Feature后，会不断向集线器发送Get_Port_Status请求，以查询USB设备是否完成复位功能。当集线器完成复位后，USB设备处于空闲状态，等待计算机发送新的指令。USB设备和计算机传输的默认地址是0和端点0。

（3）计算机通过发送Set_Address请求向USB设备分配一个唯一的地址。此后计算机与USB设备的所有通信都通过这个地址来实现。

（4）地址分配完毕后，计算机从新地址获取设备描述符。设备描述符中规定了一个或多个配置描述符，计算多次发送Get_Descriptor（）命令来读取这些配置描述符。设备描述符包括端点0的最大包长度、设备支持配置和个数、设备类型、PID、VID等。计算机收到后发送0 B数据包作为应答。

（5）计算机读完设备描述符后对设备进行配置，此时计算机端口会弹出窗口，展示发现新设备的信息、产商、产品描述、型号等。

（6）计算机从描述符中得到足够的信息之后开始为设备安装驱动。加载驱动后，计算机发送Set_Configration（）命令请求为设备选择一个合适的配置，至此USB枚举过程结束［4］。此时，若计算机向USB发送某一数据指令，数据通过USB口传送给PDIUSB12，经PDIUSB12交由MCU进行处理，处理完毕后其结果经USB接口返还给上位机软件显示出来。至此，实现USB设备与计算机的最基本通信。

2.2 固件程序设计

2.2.1 固件结构

固件结构和数据流向如图3所示。在硬件提取层中首先要对系统进行底层设置和识别，主要是对PDIUSB12和MCU的I/O口进行识别和加载的过程；PDIUSB12命令接口包含若干子程序命令，需要时可对子命令进行直接调用；中断服务程序（ISR）的主要功能是当PDIUSB12发送中断请求时，接收传来的数据并设定标志传给主循环程序；标准设备处理表示对USB的标准设备请求进行处理；厂商请求处理表示对用户添加的厂商请求进行处理［5］；主循环主要是处理用户按键、I/O口等用户自定义功能和接收各模块的数据处理的功能。

2.2.2 PDIUSB12接口命令

该模块包含PDIUSB12的所有子程序，当需要时只要从中直接调用即可。下面列举其中几个主要功能：

INT16U D12_ReadChipID（void）//读取芯片ID

void D12_SetEndpointEnable（INT8U bEnable）

//设置端点使能

void D12_SetMode（INT8U bConfig，INT8U bClkDiv）

//模式设置

void D12_SetDMA（INT8U bMode）//DMA工作方式设置

INT16U D12_ReadInterruptRegister（void）

//读取中断寄存器值

INT8U D12_SelectEndpoint（INT8U bEndp）//端点选择

INT8U D12_ReadEndpointStatus（INT8U bEndp）