基于AVR单片机通用USB接口模块设计资料.pdf

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1、基于基于 AVRAVRAVRAVR单片机的通用单片机的通用 USBUSBUSBUSB接口模块设计接口模块设计1 1 1 1 引言引言USB 接口以其数据传输快、连接简单、易于扩展、支持热插拔等特点已成为外设与 PC 通信的主要方式之一。随着嵌入式系统的发展，嵌入式微处理器需增加通用的 USB 接口，以便实现与 PC 等 USB 主机系统的通信。针对这样的需求，这里采用 PHILIPS 公司的 USB 接口器件 PDIUSBD12 和 Atmel 公司的 AVR 系列单片机 ATmega8 设计一种通用的 USB 接口模块。该模块可方便为各种嵌入式微处理器增加 USB 接口，从而实现与 USB

2、主机系统的高速通信。2 2 2 2 系统硬件设计系统硬件设计该系统模块的控制核心是 AVR 高速单片机 ATmega8。AVR 单片机是新一代基于哈佛结构的高速 RISC 微控制器，具有速度快、价格低、可靠性高，IO 口线驱动能力强和片内集成外设资源丰富等特点，其内部集成有可进行 ISP 下载编程的 Flash，EEPROM、熔丝位和锁定位。AVR 单片机的 ISP 下载电缆制作简单、成本低廉，还有免费的下载软件(例如 PonyProg)支持。PDIUSBD12 是一款高性价比 USB 接口器件，完全符合 USB1.l 规范，易于与各种微处理器接口。系统模块 AVR 单片机与 PDIUSBD1

3、2 的电路连接如图 1 所示。由图 1 看出，由于 AVR 单片机具有高速性，可利用 IO 端口线以软件方式模拟 PDIUSBD12 的时序，对其读写。这种方式可根据不同的微处理器速度灵活控制 PDIUSBD12 的时序和地址，无需译码电路，从而简化硬件设计，降低成本。由于 ATmega8 片内集成了 UART，SPI，I2C 等接口，该接口模块可利用这些接口与其他系统通信，使得该接口模块成为通用的接口转换器。其系统硬件结构框图如图 2 所示。3 3 3 3 USBUSBUSBUSB 固件程序设计固件程序设计本系统模块的USB 固件程序采用符合 ANSI C 标准的 GCC 编译器设计，结合分

4、层次的模块化结构，可移植性强，只需稍微修改硬件接口层即可将其移植到别的硬件平台，可重复利用代码。USB 固件程序设计是基于状态机和标准的前后台式程序架构。整个同件程序的模块化层次结构如图 3 所示。首先编写硬件接口层 hal.c 和 PDIUSBD12 器件的命令接口层，以供上层模块调用。硬件接口层含有对 PDIUSBD12 写指令和读写数据的函数，以供上层模块调用。当 CPU 不同时，只需修改这些函数即可。由于 CPU 访问 PDIUS-BD12 与普通存储器一样，只需根据硬件连接关系，在硬件抽象层中编写对 PDIUSBD12 写指令、写读数据的函数，供上层调用即可。实现 PDIUSBD12

5、 的命令接口层需调用硬件抽象层函数，供上层模块调用。再设计前后台程序及标准设备请求程序模块。先利用 C 语言的共用体与位域定义一个全局状态变量如下所示：用户可根据需要增加相应的状态标志位，如 UART，SPI，I2C 等接口收发数据完成标志来满足各种情况下的需要，然后定义一个结构体变量用于存放 USB 的标准设备请求。在前台主程序中首先初始化全局变量和其他外围设备，然后在while(1)的死循环中检测状态变量值有无变化，根据不同的状态变量值调用下层的相应函数完成相关操作。在后台的中断服务程序中，根据读取的中断寄存器值一方面将 PDIUSBD12 接收到的数据移入 CPU 内存或将内存中的数据写

6、入 PDIUSBD12 发送端点的缓冲区；另一方面根据具体情况改变状态变量值。以下给出了前台主程序的程序代码：以下为后台中断服务程序：当前台主程序检测到状态变量收到SETUP 包事件 bEvent_flags.bits.setup_packet 为 1 时，该标志位清零，再调用标准设备请求模块stdreq.c 的 control_handler()函数完成对 USB 设备的枚举。设计标准设备请求模块，首先利用结构体定义USB 枚举所需的各种描述符，以供不同设备请求使用，其次编写 11 个标准的设备请求处理函数。本层请求模块重要函数是协议控制子程序 control han-dler()，它根据C

7、ontrolData 中标识的不同 USB 设备请求类型调用 11 个函数中的任意一个。除此之外，本层请示求模块还实现中断服务程序调用的控制端点接收与发送中断处理函数。上述各函数及 ControlData 变量间关系如图 4 所示。4 4 4 4 系统集成与应用系统集成与应用4.14.14.14.1 PCPCPCPC 机驱动程序与应用程序的设计机驱动程序与应用程序的设计利用该系统模块实现PC 机通讯，需对 PC 机编写相关驱动程序和应用程序，可利用 DriverStudio 软件生成该系统模块在 Windows环境下的驱动程序。应用程序的设计可使用诸如 VB、VC、Delphi 以及应用普遍的

8、虚拟仪器软件开发工具 LabVIEW 等软件开发工具，直接调用驱动程序生成的动态链接库中的 API 函数，可根据具体任务编写相关应用程序。4.24.24.24.2 应用于其他系统应用于其他系统利用 AVR 单片机的多种外设接口特点，例如 UART、SPI、I2C 接口等可以有效地实现与其他微处理器的通信，将该模块嵌入各种系统，实现与其他器件的通讯。固件程序中预留有 UART、SPI、I2C 等接口程序，只需通过简单的跳线连接就可选择相应的接口，从而实现应用系统增加 USB 接口。4.34.34.34.3 固件程序移植其他平台固件程序移植其他平台由于固件程序最大限度考虑到可移植性，所以将固件程序

9、稍加修改即可应用于各种已拥有 C 语言编译器的微处理器，实现 PDIUSBD12 直接与微处理器的通讯。移植固件程序主要工作有：根据硬件连接关系，修改硬件抽象层中的3 个读写函数，实现 CPU 与器件之间的通信；通过调用 PDIUSBD12 命令接口层的读取芯片 ID函数返回值是否为 0 x1012，测试 CPU 与器件之间的通讯是否正常。5 5 5 5 在数据采集器中的应用在数据采集器中的应用由于 ATmega8 片内集成有逐次比较型 ADC，具有 6 路的模拟输入通道，所以只需要针对采集的物理量选用相应传感器，并将输出信号调整至 0Vcc 的范围内就可利用该模块实现 USB 数据采集器。AVR 单片机集成有 ADC 自带采样保持电路，具有内部参考电压和基于睡眠模式的噪声抑制器，从而大大提高 ADC 精度，实现高精度的数据采集。而设计只需在相应的固件程序巾增加获取 ADC 结果的函数，并设置相应的状态标志位即可完成 USB 数据采集器的设计。6 6 6 6 结束语结束语以 ATmega8 和 PDIUSBD12 为核心，实现通用的 USB 接口模块设计，并应用于基于 USB 接口的数据采集器中。实验结果表明，该USB 接口模块运行稳定可靠，通信速度快，易于修改移植，满足嵌人式系统对 USB 接口的需求，并能快速为各种微处理器增加 USB 接口，具有广泛的应用前景。