USB接口技術及電路設計分析

　　目前，市場上提供的USB接口電路板很多，但大部分僅使用普通的工作模式，缺少對DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD數字攝像機USB接口這樣的需要工作在DMA模式下的設計開發。

　　所謂的DMA傳送方式，全名叫直接存儲器存取(Direct Memory Access)數據傳送方式，是指采用專門的硬件(DMA控制器)來執行數據傳送。DMA控制器可以從CPU那里接管系統總線的控制權，并且由本身發出存儲器地址信號以及訪問存儲器和I/O設備的讀/寫脈沖等控制信號，使得數據通過總線，直接在存儲器和I/O設備之間(或I/O設備與存儲器之間，存儲器與存儲器之間)進行傳送。在DMA接管總線執行數據傳送過程中，CPU暫停工作。

　　由于DMA傳送方式僅僅在需要占用總線傳送數據時才暫停CPU的操作，CPU的工作效率極高，傳輸數據可由硬件自身控制，大大提高了傳送速率，十分適合于高速數據的采集。

　　下面就介紹一下我們利用51單片機結合PHILIPS公司的PDIUSBD12帶并行總線的USB接口器件設計帶DMA工作模式的可供視頻信號傳輸的多功能USB接口電路。

　　4.1 系統概況

　　該系統主要實現USB的接口功能，通過它，外設與計算機之間可以實現USB方式的連接。外設接口1用于DMA方式數據的傳送，可與CCD攝像頭等設備相連。外設接口2采用了標準的IDE接口方式，可直接于硬盤等大容量存儲器相連，傳輸海量數據，也可以通過接口轉換，與其他功能的外設相連，具有較廣的適用性。

　　下面說明了此多功能USB接口電路的框圖：

　　這個框圖顯示了兩種接口方案：普通模式和DMA模式。

　　(1)方案一：普通模式

　　圖4-2是該USB接口電路普通模式的框圖，該框圖說明了連接外設的一種簡單模式，所有寄存器和數據的讀寫都是通過8051 的I/O 來仿真的，因此數據吞吐速率較低，適合間歇式數據的傳送。

　　(2)方案二：DMA模式

　　數據傳送以DMA方式，直接由D12傳送到計算機里，MCU只完成DMA的初始化工作，傳輸速度快，適合于視頻數字信號等高速實時傳送。

　　系統詳細的電原理圖和電路板結構圖參見附錄。

　　4.2 系統主要部件及電路

　　該系統主要由89C51控制電路、PDIUSBD12 接口電路、數據選擇電路、串并轉換電路、掛起復位電路、IDE擴展接口電路等組成，下面分述各部分的功能和特點。

　　4.2.1 89C51控制電路

　　89C51是該接口電路的控制核心，其中P0,P2口用做16位數據I/O口，P1,P3口用做控制。

　　89C51的晶振頻率為24MHz,每個機器周期為0.5us.

　　4.2.2 PDIUSBD12 接口電路

　　PDIUSBD12是一個性能優化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統并與微控制器通過高速通用并行接口進行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現一個 USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統微控制器，允許使用現存的體系結構并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發時間、風險和成本，是開發低成本且高效的USB外圍設備解決方案的一種最快途徑。 PDIUSBD12完全符合USB1.1規范，也能適應大多數設備類規范的設計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設備等，因此，PDIUSBD12 非常適合做很多外圍設備，如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器( Zip驅動器)和數碼相機等。現在用SCSI實現的很多設備如果用 USB來實現可以直接降低成本。

　　PDIUSBD12掛起時的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI 、OnNOW和USB電源管理設備的要求。低功耗工作允許實現總線供電的外圍設備。

　　PDIUSBD12還集成了像SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實現時節省成本，同時在外圍設備上很容易實現更高級的 USB功能。

　　(1)內部結構

　　① 模擬收發器。集成的收發器直接通過終端電阻與USB電纜接口。

　　② 電壓調整器。片上集成的1個3.3 V電壓調整器為模擬收發器供電，也提供連接到外部1.5 kΩ上拉電阻的輸出電壓。作為選擇，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉電阻的SoftConnect技術。

　　③ PLL。片上集成1個6~48 MHz的倍頻PLL(鎖相環)，允許使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低頻晶振而減小。PLL的工作不需要外部器件。

　　④ 位時鐘恢復。位時鐘恢復電路用4倍過采樣原理從輸入的USB 數據流中恢復時鐘，能跟蹤USB規范中指出的信號抖動和頻率漂移。

　　⑤ PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全實現USB協議層。考慮到速度，它是全硬件的， 不需要固件(微程序)介入。這個模塊的功能包括：同步模式識別、并 /串轉換、位填充/不填充、CRC校驗、PID確認、地址識別以及握手鑒定。

　　⑥ SoftConnect。高速設備與USB的連接是靠把D+通過1個1.5 kΩ的上拉電阻接到高電平來建立的。在PDIUSBD12中，這個上拉電阻是集成在芯片 內的，缺省是沒有連接到VDD，這個連接是靠外部 MCU發一個命令來建立的。這使得系統微處理器可以在決定建立 USB連接之前完成初始化。重新初始化USB總線連接也可以不用拔掉電纜來完成。

　　⑦ GoodLink。GoodLink是靠一個引腳接發光二極管實現的。在 USB設備枚舉時LED指示燈將立即閃亮;當PDIUSBD12被成功枚舉并配置時， LED指示燈將會始終亮;經過PDIUSBD12的USB數據傳輸過程中， LED將一閃一閃，傳輸成功后LED熄滅;在掛起期間，LED熄滅。這種特性可以使我們知道 PDIUSBD12的狀態，方便電路調試。　⑧ 存儲器管理單元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能緩沖USB(工作在 12Mb/s)數據傳輸和微控制器之間并行接口之間的速度差異，這允 許微控制器以自己的速度讀寫USB包。

　　⑨ 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接與主微控制器接口。對于微控制器，PDIUSBD12可以看成是一個有8位數據總線和1位地址線的存儲設備。 PDIUSBD12支持多路復用和非多路復用的地址和數據總線。在主端點(端點 2)和局部共享存儲器之間也可使用DMA(直接存儲器存取)傳輸。它支持單周期模式和塊傳送模式 兩種DMA傳輸。

　　(2)PDIUSBD12引腳說明

　　(3)PDIUSBD12的典型連接

　　PDIUSBD12與80C51的連接電路如 圖4-6 所示。在這個例子中， ALE始終接低電平，說明采用單獨地址和數據總線配置。A0 腳接80C51的任何I/O引腳，控制是命令還是數據輸入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接與PDIUSBD12的數據總線相連接，CLKOUT 時鐘輸出為80C51提供時鐘輸入。

　　(4)PDIUSBD12的DMA 傳輸

　　直接存儲器尋址 允許在主端點和本地共享存儲器間實現數據塊的有效傳輸.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端點和本地共享存儲器間的數據傳輸可自主進行而不需要本地CPU 的干預.要處理任何DMA傳輸,本地CPU 從主機接收必要的建立信息并對DMA控制器進行相應的編程.典型的對DMA控制器的傳輸模式、字節計數寄存器和地址計數器進行正確的編程。在該模式下， PDIUSBD12 發出請求時開始傳輸，當字節計數器減少為零時終止。在DMA 控制器編程之后，本地CPU 在初始化傳輸時將PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。