基于SPCE061A和PDIUSBD12USB接口芯片实现设备系统的设计

作者：贾志城,陈乖丽 

USB（Universal Serial Bus）是通用串行总线。最初USB是由Compaq、Digital、IBM、Intel、Microsoft、NEC以及Northern Telecom（北方电信公司）七家公司共同开发的一种新的外设连接技术。诸家公司联合提出这一新型总线，是为了解决PC机外围设备的拥挤和提高设备的传输速度。目前普遍采用的USB1．1主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1．5Mbps和全速 12Mbps两种。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。现有的USB外设有：数字照相机、音箱、游戏杆、调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、软驱等。1998年后随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上 USB设备的日渐增多，USB逐步走进了实用阶段、以惊人的速度发展。

本文所设计的USB设备系统的功能比较简单，它主要实现SPCE061A与PC机之间的简单通讯，是SPCE061A单片机的一种基本应用。这篇文章的主要目的是希望能够给读者起抛砖引玉的作用，开发者可以在这个基础上修改程序，轻松实现USB设备系统开发。本文所设计的系统具有三种简单功能：1.检测USB外设是否连接成功。 2.通过点击PC端的应用软件上的按钮，可以点亮或熄灭与SPCE061A单片机IO口相连的LED灯。3.应用软件发送任意字符串到SPCE061A，SPCE061A接受、回送字符串，应用软件接受到字符串时，能够将它显示出来。

4.1系统组成

本USB通讯系统，主要由凌阳十六位单片机SPCE061A，Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12组成，系统框图如图3.10所示。

这个系统的基本工作流程为：PC端应用软件，发送ID0（为了使主机和设备方能同步，该系统定义了三个握手ID：ID0，ID1，ID2。）给PDIUSBD12，PDIUSBD12接收数据，产生中断通知SPCE061A单片机读取数据。SPCE061A如果读取的数据为ID0，那么发送ID0给PDIUSBD12；PC机端应用软件发送完数据后，读取外设发送的数据，如果读到的数据为ID0，那么弹出一个提示框，提示USB外设连接成功。此后PC机端的应用软件和USB外设之间的通讯都是通过ID来进行的。

4.2硬件设计

系统电路原理图如图3.11所示。其中PDIUSBD12用作实现PC机与SPCE061A单片机进行通信的高速通用并行接口。USB协议层的相关通讯协议通过PDIUSBD12来实现，它由硬件实现不需要固件的参与。SPCE061A单片机的主要作用：1.windows系统配置、枚举USB外设时，SPCE061A发送、接收相关的USB设备信息。2. windows系统配置、枚举USB外设成功后，根据接收到的ID，进行相应的操作，起控制作用。

SPCE061A内嵌32K的FLASH的存储空间、14个中断源，它在2.6“3.6V的工作电压范围内的工作速率范围为0.32MHz～49MHz，这使得它有较高的速率和存储空间来应付USB通讯。单片机SPCE061A与PDIUSBD12之间通讯采用中断方式，数据交换主要是靠SPCE061A单片机给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。

PDIUSBD12通过这种方式来识别命令和数据：在ALE信号的下降沿时锁定地址，如果是奇地址，那么它接收的是命令；如果是偶地址，那么它发送或接收的是数据。PDIUSBD12的中断寄存器只要不为0，它的中断输出引脚（INT_N）就保持低电平，所以系统初始化时可将SPCE061A单片机的外部中断（下降沿触发）引脚IOB2设置为带上拉电阻输入。当PDIUSBD12的中断寄存器由零变为非零时，马上触发SPCE061A的外部中断，SPCE061A单片机在中断处理时，读取PDIUSBD12芯片的状态寄存器以清除中断寄存器中对应位，使得中断引脚变为高电平。这样使得SPCE061A可以在退出中断后，可随时响应外部中断。

图3.11中的LED1灯非常有用，它是PDIUSBD12的GOODLINK指示灯，在系统枚举时会根据通信的状况间歇闪烁，当PDIUSBD12被枚举和配置成功后，将一直点亮。随后在USB通信时会闪烁，这对调试非常有用。

4.3软件设计

USB设备的软件设计主要包括两部分：一、USB设备端的单片机软件，主要完成USB协议处理与数据交换。二、PC端的程序，由USB驱动程序和用户服务程序两部分组成，用户服务程序通过USB驱动程序通信，由系统完成USB协议的处理与数据传输。

该系统单片机端的软件流程如图3.12所示。SPCE061A单片机控制程序由三部分组成：第一、初始化SPCE061A和PDIUSBD12。 第二、主循环部分，主要任务是判断标志位是否改变，如果改变则执行相应的程序，否则一直循环等待中断。第三、中断服务程序，主要任务是接收、发送数据，设置相应的标志位。主机首先要发令牌包给PDIUSBD12，PDIUSBD12接收到令牌包后就给单片机发中断，单片机进入中断服务程序，首先读PDIUSBD12的中断寄存器，判断 USB令牌包的类型，然后执行相应的操作。因此，单片机程序主要就是中断服务程序的编写。在 USB单片机程序中要完成对各种令牌包的响应，其中比较难处理的是SETUP包，主要是端点0的编程。

系统初始化部分包括系统时钟，IO口，中断设置（开外部中断），PDIUSBD12芯片软件复位、初始化。该主流程的核心部分是协议层的请求处理，它关系到PC机枚举USB外设成功与否。所以在调试单片机程序的时候，要特别注意Window对USB设备的枚举顺序。如果枚举成功，主机将找到新的设备，提示安装驱动程序；否则找到未知设备，USB外设不可用。

中断服务子程序的编写，采用混合编程，也就是说，在汇编程序中调用C函数，这样可以提高代码的可读性。中断服务子程序的流程如图3.13所示，有好几个地方，只做清中断处理，这是因为有些端点没有用到。它只作为一个程序接口，为扩展系统功能用。

目前编写主机的USB驱动程序主要采用三种方法。第一，使用Windows DDK来编写驱动程序，难度很大，但是非常灵活；第二，使用DriverStudio开发工具来生成驱动程序；第三，使用Windriver开发工具来生成驱动程序。用后面两种方法来开发驱动程序的周期短，但是不灵活。本系统的驱动程序采用DDK编写，用户服务程序能够通过驱动程序与PDIUSBD12芯片中任意端点通讯，因此编写用户服务程序也是非常灵活的。

4.4总结

通常在开发USB设备产品，需要编写实时性、程序可读性要求很高的代码，这时就需要采用混合编程。而凌阳的m’nSP%26;#8482; IDE具有良好的编程环境，它可以很轻松、很容易进行混合编程（在C程序中调用汇编程序，在汇编程序中调用C程序）。

在该系统中，只用到了SPCE061A单片机的外部中断、IO口资源。其实SPCE061A单片机的资源很丰富，它除了具有普通单片机功能以外，还具有语音识别、语音录放等功能。因此这个系统只是一个雏形，SPCE061A还能够实现比较复杂的功能，比如使用SPCE061A的录音功能进行录音并将语音数据存储到外扩的FLASH，然后通过USB通讯，将语音数据送到PC机上播放，同样也可以将PC机上压缩后的语音文件下载到SPCE061A上进行播放。这样可以很容易使用SPCE061A可以开发录音笔、电话记录仪等USB设备。因此利用SPCE061A开发USB设备产品的前景是非常广阔的。