基于C8051F340的USB通訊設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

沈鑫彪

摘要：該設(shè)計(jì)旨在通過USB（Universal Serial Bus）通訊技術(shù)2.0版本協(xié)議以及C8051F340芯片嘗試與計(jì)算機(jī)通訊的可行性。通過運(yùn)用C8051F340這款51家族的高性能芯片的相關(guān)寄存器的功能，再根據(jù)USB 2.0版的通訊協(xié)議完成下位機(jī)的固件編寫，然后，在主機(jī)上編寫VB（Visual Basic）的相應(yīng)接口函數(shù)，完成數(shù)據(jù)傳送的工作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，可以完成下位機(jī)與上位機(jī)連接，并完成數(shù)據(jù)傳送。

關(guān)鍵詞：C8051F340；USB通訊；Visual Basic

中圖分類號：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0266-03

USB設(shè)備以其熱插拔、簡單易用的特性被廣泛運(yùn)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。部分醫(yī)療設(shè)備在提供媒體文件，例如圖片、視屏等時(shí)，也都選擇USB作為通訊接口，以方便醫(yī)院醫(yī)生可以方便取出所需資料，完成科研或教學(xué)工作。但是由于USB的廣泛化，導(dǎo)致其的個(gè)性化功能很少有廠家提供一套合理有效的方案。本設(shè)計(jì)通過USB相關(guān)協(xié)議的學(xué)習(xí)，將其在C8051F340這款芯片上實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的連接及數(shù)據(jù)傳輸，為醫(yī)院定制自己個(gè)性化USB移動(dòng)設(shè)備提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)不但嘗試了和主機(jī)建立連接，而且完成隨時(shí)數(shù)據(jù)讀入，然后傳輸。數(shù)據(jù)讀入部分用的是CCD芯片輸出的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的流程框架為驅(qū)動(dòng)模塊成功驅(qū)動(dòng)CCD芯片之后，用AD（Analog to Digital）轉(zhuǎn)換芯片將CCD輸出的模擬量數(shù)據(jù)化，然后讀入主控芯片，主控芯片再利用USB傳輸將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)，主機(jī)上的程序就會(huì)連接數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫再進(jìn)行進(jìn)一步的查詢工作。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1條形碼數(shù)據(jù)讀取

本設(shè)計(jì)采用的CCD型號是TCD1206SUP。CCD芯片的驅(qū)動(dòng)需要一個(gè)時(shí)序產(chǎn)生模塊，按照手冊說明，提供相應(yīng)頻率和時(shí)序的觸發(fā)信號，就可以成功驅(qū)動(dòng)CCD芯片，完成圖片掃描并將數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片C8051F340。為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，本設(shè)計(jì)在下位機(jī)也設(shè)置了一個(gè)顯示模塊，使用了型號為12864的液晶顯示屏。主控芯片接收傳輸過來的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行一定的編碼處理后，就把數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)送入主控芯片的USB數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)。

圖2和圖3為CCD驅(qū)動(dòng)信號，圖2分別是RS復(fù)位信號和Φ1移位信號，RS的下降沿與Φ1移位信號的電平跳變沿對應(yīng)，RS為1M，Φ1為0.5M，RS占空比約為1/3；圖3為Φ1和Φ2移位信號，兩個(gè)信號根據(jù)手冊為互補(bǔ)信號，占空比為1/2。

1.2 USB數(shù)據(jù)傳輸[2-3]

在USB通訊中，每一次通訊都由主機(jī)通過輪詢方式發(fā)起，本設(shè)計(jì)采用的USB傳輸協(xié)議是2.0版本，借用C8051F340的特定USB寄存器完成USB傳輸工作。根據(jù)USB2.0協(xié)議，通訊前首先要進(jìn)行一些USB傳輸?shù)母鱾€(gè)描述符的配置和主控芯片C8051F340相關(guān)寄存器的配置。

1.2.1 USB描述符設(shè)置

由USB協(xié)議2.0可知，USB的描述符有設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和終端描述符等。這些描述符在設(shè)計(jì)固件時(shí)被存放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，并以常量的形式存放在ROM（Read-OnlyMemory）中，即本設(shè)計(jì)主控芯片C8051F340的相關(guān)寄存器中，所以在設(shè)備使用過程中是不能改變的。

設(shè)備描述符中有關(guān)于這個(gè)設(shè)備的基本信息所存儲(chǔ)的地址，方便主機(jī)接下來的訪問。它是在設(shè)備連接主機(jī)時(shí)主機(jī)讀取的第一個(gè)描述符。以下為本設(shè)計(jì)所用的設(shè)備描述符。

18， // 字節(jié)長度

0x01， // 固定設(shè)備（01h）

SWAP16（0x0200）， // USB規(guī)范發(fā)布號（BCD），此處選2.0版本

0x00， // 類代碼

0x00， // 子類代碼

0x00， // 協(xié)議代碼

EP0_PACKET_SIZE， // 終端0最大包的大小

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

SWAP16（USB_HID_PID）， // 產(chǎn)品ID（unsigned int）0x02ff

0x0001， // 設(shè)備發(fā)布號（BCD）

0x01， // 制造商字符串描述符的指針

0x02， // 產(chǎn)品字符串描述符的指針

0x03， // 包括了序列號的字符串描述符的指針

0x01 // 配置的號碼

主機(jī)在接收到設(shè)備的配置、接口和終端描述符訪問地址以后，會(huì)請求選擇一個(gè)配置并用函數(shù)Get_Configuration請求來讀入當(dāng)前的配置，在固件中有一個(gè)同名的函數(shù)來上傳該描述符。在主機(jī)發(fā)起的輪詢中，有11種標(biāo)準(zhǔn)請求，Get_Configuration即為其中一個(gè)，其字段取值為8。配置描述符有8個(gè)字段。這個(gè)描述符包括如下信息：描述符本身、配置和在該配置下設(shè)備的電能使用情況。對很多配置，一些字段是用不到的。以下為本設(shè)計(jì)所用的配置描述符。

0x09， // 描述符的字節(jié)長度

0x02， // 固定配置（01h）

SWAP16（ sizeof（ CON_INT_HID_EP_DESCRIPTOR ） ） ， // 所有數(shù)據(jù)的字節(jié)大小

0x01， // 該配置支持的接口號

0x01， // 請求的標(biāo)識符

0x00， // 字符串描述符的指針

0x80， // 自供電，不支持喚醒

USB_MAX_PWR/2 // 需要的總線電能

每個(gè)配置必須支持一個(gè)接口，并且對很多設(shè)備來說，一個(gè)就夠了。主機(jī)請求申請一個(gè)新的接口，并用一個(gè)Get_Interface請求來讀取當(dāng)前的接口，然后固件用一個(gè)同名的函數(shù)上傳相應(yīng)描述符。改變接口比改變配置容易，改變配置要影響這個(gè)設(shè)備。

一個(gè)接口描述符有9個(gè)字段。很多設(shè)備不需要所有這些字段，例如那些允許替換的設(shè)置和協(xié)議。以下為本設(shè)計(jì)所用的接口描述符。

0x09， // 描述符的字節(jié)長度

0x04， // 固定接口（04h）

0x00， // 識別這個(gè)接口的號

0x00， // 用于選擇一個(gè)替換設(shè)置的值

0x01， // 支持的終端號，除了終端0

0x03， // 類代碼

0x01， // 子類代碼

0x02， // 協(xié)議代碼

0x00 // 接口的字符串描述符的指針

以下為本設(shè)計(jì)的終端描述符。其中0x05表示固定的終端，EP_INTERVAL為一個(gè)宏定義。

0x07， // 描述符的字節(jié)長度

0x05， // 固定終端（05h）

0x81， // 終端號和方向

0x03， // 支持的傳輸類型

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

EP_INTERVAL // 查詢間隔，以ms為單位

一個(gè)字符串描述符包含了描述文本。USB協(xié)議規(guī)范為制造商、產(chǎn)品、序列號、配置和接口定義了字符串描述符。一個(gè)設(shè)備也可以支持其他的字符串描述符。字符串描述符是可選擇的。在此就不羅列該字符描述符信息了。

對于任何USB設(shè)備，HID（Human Interface Device）的描述符告訴了主機(jī)為了和設(shè)備通信，它需要知道什么。主機(jī)發(fā)送Get_Descriptor來請求包含HID的接口配置，類描述符可以有7個(gè)或更多個(gè)字段，這取決于其他描述符的數(shù)量。以下為本設(shè)計(jì)所用的HID描述符。

9，// 描述符的字節(jié)長度

0x21， // 21h表示HID類

SWAP16（0x0110）， // HID規(guī)范發(fā)布號（BCD）

33， // 識別本地化硬件的國家的數(shù)字表達(dá)式（BCD）

1， // 支持的從屬類描述符的數(shù)量

0x22， // 類描述符類型

SWAP16（ sizeof（ ReportDesc ） ） // 報(bào)告描述的總長度

1.2.2 C8051F340相關(guān)寄存器的配置

C8051F340芯片集成了一個(gè)完整的全速/低速USB功能控制器，用于實(shí)現(xiàn)USB外部設(shè)備（C8051F340不能被用作USB主設(shè)備）。C8051F340又包括除了USB0DAT、USB0ADR和USB0XCN這些51寄存器之外的USB控制寄存器，共二十幾個(gè)（不包括FIFO）。USB控制寄存器又分為公共寄存器、中斷寄存器、索引寄存器和FIFO訪問。

本設(shè)計(jì)采用的主控芯片是C8051F340。C8051F340是51家族的一款高速多引腳集成了USB外設(shè)的高性能主控芯片，具有64K片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器、4352B片內(nèi)RAM（Random Access Memory）以及豐富的外設(shè)資源，具體詳細(xì)參數(shù)可以參閱該芯片數(shù)據(jù)手冊。

下位機(jī)做好相關(guān)初始工作，包括USB使能，開中斷允許和USB相關(guān)寄存器設(shè)置，之后就是上位機(jī)的中斷信號的觸發(fā)了，觸發(fā)后就進(jìn)入中斷。其中斷后的程序是通過分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

1.3主機(jī)查詢顯示

本設(shè)計(jì)的PC端軟件采用VB6.0開發(fā)，底層驅(qū)動(dòng)采用WinDriver10.00，是一款由Jungo公司研制開發(fā)的可視化的硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)平臺。

由于VB不包含訪問一般USB設(shè)備的控制[4]，而要使用WinDriver動(dòng)態(tài)連接庫中的接口函數(shù)（API， Application Programming Interface）。因?yàn)锳PI函數(shù)對傳遞和返回的變量有特殊的要求[5]，出現(xiàn)錯(cuò)誤不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序或系統(tǒng)的崩潰，但要用VB正確調(diào)用這些函數(shù)，就必須要對VB中的調(diào)用函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)。為了使編程更簡單、更安全，VB對一般任務(wù)有它自己的控制。

只要下位機(jī)的USB固件程序編寫正確，就都可以利用WinDriver這款軟件順利生成想要的驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)用到的動(dòng)態(tài)連接庫有WDAPI1000.DLL和XP系統(tǒng)中的kernel32.DLL。下面即為將WDAPI1000.DLL文件中的ThreadLoopStart聲明為VB_ThreadLoopStart，以供VB的正確調(diào)用[6]，主要考慮到數(shù)據(jù)類型的匹配。

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測試與結(jié)果

本設(shè)計(jì)所使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)版本是XP profession SP3。提供測試用的間有黑白條紋的紙板來給CCD掃描讀取，經(jīng)過編碼后得出一串只有“0”和“1”的代碼。主機(jī)程序中預(yù)置一個(gè)對應(yīng)不同代碼的文字信息，然后根據(jù)USB傳輸?shù)拇a對應(yīng)顯示相關(guān)信息。圖5為主機(jī)上顯示信息的界面。

3結(jié)論與總結(jié)

C8051F340芯片外圍集成USB功能，有許多的USB功能寄存器可供調(diào)用，學(xué)習(xí)相關(guān)資料手冊，無論是驅(qū)動(dòng)CCD芯片，還是USB通訊都可以完成工作。

所選擇的C8051F340主控芯片的PWM管腳輸出頻率不能達(dá)到預(yù)期驅(qū)動(dòng)CCD的頻率，導(dǎo)致需要另加一塊時(shí)序產(chǎn)生模塊，該控制芯片的端口資源充分利用起來還可以提供更多的實(shí)用功能。前端CCD掃描的光路設(shè)計(jì)不能符合預(yù)期要求，以至于在掃描條形碼時(shí)不能達(dá)到預(yù)期效果，只能識別簡單的黑白條紋。

通過本系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)施，對USB傳輸協(xié)議框架有了一個(gè)理性認(rèn)識，為以后定制USB移動(dòng)設(shè)備提供技術(shù)支持，完成更多相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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