USB设备开发实例

通用串行总线(Universal Serial Bus USB），是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB适用于多种设备，比如数码相机、MP3播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在USB接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。
从表1可知，数据传输速率高是USB接口的另一特点。USB接口支持1.5Mb/s(低速)、12Mb/s(全速)和高达480Mb/s(USB 2.0规范)的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。
USB接口芯片价格低廉，一个支持USB 1.1规范的USB接口芯片价格大多在＄1～2之间，跟一个232或485接口芯片价格差不多，这也大大促进USB设备的开发与应用。
在进行一个USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。目前，市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。
带USB接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，比如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，所以一般不推荐选用。另一类是增加了USB接口的普通单片机，例如Intel公司的8X931（基于8051）、8X930（基于高速、增强的8051）、Cypress公司的EZ－USB(基于8051），选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。一般来说，后者的价格是前者价格的10倍。
纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）、PDIUSBD12(并行接口），NS公司的USBN9603/9604(并行接口），NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计（硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序、PC机的USB接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动）。
在选定USB控制器以后，如果是带USB接口的单片机，则是一般单片机应用系统的开发；反之，就是如何把USB接口芯片与单片机应用系统融合的问题，一般USB接口芯片都支持多种并行总线结构（复用/非复用），可以方便的与多种单片机接口。硬件设计中要注意的就是USB接口芯片的时钟速度比较高，如果芯片内部没有PLL来倍频，则外部晶体振荡电路(多数在48MHz)的设计就应该特别注意，包括晶体的选择(负载电容大小）、匹配网络的设计以及PCB布线。
USB设备的软件设计主要包括两部分：一是USB设备端的单片机软件，主要完成USB协议处理与数据交换（多数情况下是一个中断子程序）以及其它应用功能程序（比如A/D转换、MP3解码等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用户服务程序两部分组成，用户服务程序通过USB通信程序与系统USBDI(USB Device Interface）通信，由系统完成USB协议的处理与数据传输。PC端程序的开发难度比较大，程序员不仅要熟悉USB协议，还要熟悉Windows体系结构并能熟练运用DDK工具。
USB接口软件主要完成USB协议的处理和数据的交换，一定要严格遵循USB2.0规范第九章的规定(详见 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 : Chapter 9.USB Device Framework www.usb.org）。
要快捷、成功的开发一个USB设备，正确、合理的调试方法是必不可少的环节。调试基本分三步进行：首先对外部设备（单片机部分）借助PC调试软件(芯片生产商提供或从网上下载WINRT－USB、Kernel Driver等调试软件）将设备端的USB协议(主要有描述符请求、端口配置、地址设置以及基本数据交换）调通。然后，用调试好的USB设备接口来开发、调试PC软件，这一步相对比较容易。最后，加上USB设备端的其它用户程序，对整个完整的系统进行系统调试。

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