基于单片机的USB接口的设计.doc

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1、单片机原理及系统课程设计报告单片机原理及系统课程设计1 引言本课程设计是在学习必修课单片机原理与系统设计之后，为加强对系统设计和应用能力的培养而开设的综合设计。本课程设计的题目为基于单片机的USB接口的设计。2 设计方案USB是近年来发展起来的一种快速、灵活的总线接口。它最大的特点是易于使用，可热插拔，接口连接灵活，并且能够提供外设电源4，在嵌入式系统及智能仪表中获得广泛的应用。因此用51系列单片机实现USB主机接口，进而实现对USB外设的控制，对提高整个系统的数据存储、数据传输、设备控制等性能都有很大的作用。本文论述的方案基于压强测试仪的应用环境，在开发压强测试仪的过程中根据实际的需求，要求

2、能够存储大量数据，以往的解决方案是RS232C接口，但由于传输速度慢，在高速采样系统容易导致数据丢失，而且必须有上位机的参与，这对于室外作业很不方便。测试仪器可以把采集到的数据保存到U盘，工作人员可以随时取下U盘，将数据拿到异地进行分析，另外笔者还开发了读写U盘的文件系统，存储的数据可以直接在PC机上打开，不需要编写其它的分析软件。3 硬件设计3.1 SL811HS概述SL811HS是具有主/从两种工作模式的USB控制器4，遵循USB1.1规范；可自动检测总线速率，支持全速12Mbps和低速1.5Mbps设备；具有8位双向的数据总线，易与单片机连接；片内256字节的SRAM(其中16字节为工作

3、寄存器)，用于数据传输；可自动产生SOF和CRC5/16，简化软件工作量；片内有根Hub；支持挂起/唤醒工作模式，减少功耗；支持地址自动加1功能，在连续读写过程中，只设置一次地址，其内部寄存器地址自动增加，在大容量数据通讯中非常必要的。3.2 单片机与SL811HS接口设计图3.1所示是AT89C51与SL811HS的硬件连接电路。在本设计中，由于所选用的单片机AT89C51及其外围元件的工作电压为5V，而SL811HS的工作电压为3.3V，所以系统应提供5V电压同时要进行电压转换。虽然SL811HS可以使用12MHZ晶振，但在实际使用过程中，如果晶振质量不太好，电路稳定性就会比较差，因此，设

4、计时推荐使用48MHZ有源晶振。SL811HS的中断请求输出的是高电平，因此需要用反向器把它变换成低电平以满足AT89C51中断输入要求。此外，应注意SL811HS是低电平复位。为了便于调试，系统扩展了液晶显示器。硬件完成后要进行测试，先向SL811HS寄存器中写入数据，之后读出数据并在液晶显示器上显示，如果和写入的数据相同，说明SL811HS与单片机连接正确。再用示波器观察有源晶振是否起振，一切正常后便进入软件调试。 D0D7 AT89C51 A0RSTD0D7 SL811HA0图3.1 SL811HS与单片机的硬件连接图4 软件设计4.1. USB枚举过程：总线一般包含四种基本数据传输类型

5、：控制传输、中断传输、批传输以及同步传输，本系统使用的是控制传输和批量传输3。最基本的函数就是对SL811HS寄存器的读写，代码可参照参考文献5。读单个寄存器：BYTE SL811Read(BYTE a)SL811H_ADDR=a;return (SL811H_DATA);写单个寄存器：void SL811Write(BYTE a,BYTE d)SL811H_ADDR=a;SL811H_DATA= d;连续读SL811HS寄存器：void SL811BufRead(BYTE addr,BYTE *s,BYTE c)BYTE c;SL811H_ADDR = addr;while (c-)*s+

6、=SL811H_DATA;连续写SL811HS寄存器：void SL811BufWrite(BYTE addr,BYTE *s,BYTE c)BYTE c;SL811H_ADDR=addr;while (c-)SL811H_DATA =*s+;读写寄存器正常以后，便进入SL811HS底层函数的编写，具体的函数可参照CYPRESS公司提供的代码修改。在对U盘读写之前需正确配置SL811HS芯片，这部分工作通过枚举3来完成。枚举是对USB接口正确配置的过程，包括获取设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符，以及对接口、端点正确配置。请求设备描述符的setup数据包5为 80h 06 00 0

7、1 00 00 12 00，通过读取设备描述符，可获得设备的子类。请求配置描述符的setup数据包为 80h 06 00 01 00 00 09 00，对于请求配置描述符，可以先进行首次请求，要求数据包长为9。接收到设备返回的数据，获得此描述符的总长，然后再发二次请求，获得全部描述符数据。第二次发送的setup数据包内容为 80h 06 00 01 00 00 2Eh 00此时返回数据包括设备配置、接口、端点的全部描述信息。枚举过程见图4.1。中断入口判断设备的插拔SL811HS复位获取设备描述符设置USB地址获取配置信息符对设备配置枚举完成返回图4.1 枚举过程设备刚插入时SL811HS是通

8、过中断方式通知主机的，主机通过查询SL811HS中断寄存器的值判断引起中断的原因，如果是由于设备插入引起的原因，主机接下来要对设备进行配置，首先要获得设备描述符，以判别设备是哪一类设备，此时USB设备默认地址为0，通讯采用控制传输，接下来主机对USB设备分配地址，地址从1到127可根据系统需要任意选择，在以后的与USB设备通讯时就用此地址，然后获取有关设备配置的描述符，获取此描述符要进行两次请求，第一次是试探性的，以便得到相关数据的具体长度，第二次才返回接口以及端点的全部信息。最后按照得到的数据对USB设备进行正确的配置，至此USB枚举过程结束。软件流程如图4.1所示。4.2. U盘的读写及F

9、AT16文件系统2：U盘属于大容量存储设备，当U盘枚举成功后，主机与USB设备通过BULK-ONLY传输方式传输数据，所有的通讯数据都通过BULK-IN和BULK-OUT端点传输。在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB和设备之间传送，CBW、CSW和普通数据3。CBW（Command Block Wrapper，即命令块包）是从USB Host发送到设备的命令，命令格式遵从接口bInterfaceSubClass中所指定的命令块，这里为SCSI传输命令集。USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来，执行相应的命令，完成以后，向Host发出反映当前命令执行状态的CSW（Command S

10、tatus Wrapper），Host根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。Host要求USB设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host进行下一步的操作。U盘一般支持FAT16文件系统，它可以分成4个部分，即保留区，FAT区，根目录区，数据区。保留区的第一个扇区也叫引导扇区，它含有对文件系统识别的关键信息。根目录区存放目录项，每个目录项为32个字节，记录一个文件或目录的信息。FAT区即文件分配表，操作系统分配磁盘空间按簇来分配的。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，而往往会分成若干段，像一条链子一样存放。这种存

11、储方式称为文件的链式存储。为实现文件的链式存储，硬盘上必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对一个文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，FAT表的对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息：诸如是否空，是否是坏簇，是否已经是某个文件的尾簇等。目录项的所占的最后一个扇区之后，便是真正存放文件数据的位置了。最后按照得到的数据对USB设备进行正确的配置，至此USB枚举过程结束。USB总线一般包含四种基本数据传输类型：控制传输、中断传输、批传输以及同步传输，本系统使用的是控制传输和批量传输。写U盘的流程图如图4.2所示。初

12、使化文件系统寻找FAT表第一个可用簇建立文件目录向第一簇写入数据寻找下个可用簇创建FAT链表向新簇中写入数据文件写完否NY结束图4.2 写U盘的流程图5 总结本文介绍的USB主机接口不同于以往的USB设备接口6，在USB系统设计中，USB主机接口的设计一直是其难点所在。它能主动发出命令，USB外设通过解析命令数据包然后执行相应的命令。通过USB主机接口的控制，不仅提高了数据传输的稳定性，而且能够对采集过程中出现的错误及时进行处理。本方案已成功实现了对U盘的读写，在实际的应用中，读写数据稳定可靠，可兼容市场上绝大多数U盘。遗憾的是没能实现仿真。本设计的另一优点是成本低廉，可应用于各种智能仪器及嵌

13、入式设备中，实现对海量数据的存储。参考文献1 Cypress semiconductor corporation. SL811HS date sheetz.2002.2 Microsoft corporation. FAT File System Specificationz.1999.3 Compaq,Inter,Microsoft,NEC. Universal Serial Bus Specification(Revision1.1).1998.4 史波，田凯.通用串行总线USB技术概述J.信息技术.2001(4).5 冉光志，赵明生.基于SL811HST和S3C4510B的嵌入式USB主机与设备的设计.微计算机信息.2005,(11)6路永坤.基于USB接口的数据采集模块的设计与实现J.自动化仪表.2005,（2）- 5 -