USB接口技术分析及电路设计
目前，市场上提供的USB接口电路板很多，但大部分仅使用普通的工作模式，缺少对DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开发。
所谓的DMA传送方式，全名叫直接存储器存取(Direct Memory Access)数据传送方式，是指采用专门的硬件(DMA控制器)来执行数据传送。DMA控制器可以从CPU那里接管系统总线的控制权，并且由本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O设备的读/写脉冲等控制信号，使得数据通过总线，直接在存储器和I/O设备之间(或I/O设备与存储器之间，存储器与存储器之间)进行传送。在DMA接管总线执行数据传送过程中，CPU暂停工作。
由于DMA传送方式仅仅在需要占用总线传送数据时才暂停CPU的操作，CPU的工作效率极高，传输数据可由硬件自身控制，大大提高了传送速率，十分适合于高速数据的采集。
下面就介绍一下我们利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路。
4.1 系统概况
该系统主要实现USB的接口功能，通过它，外设与计算机之间可以实现USB方式的连接。外设接口1用于DMA方式数据的传送，可与CCD摄像头等设备相连。外设接口2采用了标准的IDE接口方式，可直接于硬盘等大容量存储器相连，传输海量数据，也可以通过接口转换，与其他功能的外设相连，具有较广的适用性。
下面说明了此多功能USB接口电路的框图：
这个框图显示了两种接口方案：普通模式和DMA模式。
(1)方案一：普通模式
图4-2是该USB接口电路普通模式的框图，该框图说明了连接外设的一种简单模式，所有寄存器和数据的读写都是通过8051 的I/O 来仿真的，因此数据吞吐速率较低，适合间歇式数据的传送。
(2)方案二：DMA模式
数据传送以DMA方式，直接由D12传送到计算机里，MCU只完成DMA的初始化工作，传输速度快，适合于视频数字信号等高速实时传送。
系统详细的电原理图和电路板结构图参见附录。
4.2 系统主要部件及电路
该系统主要由89C51控制电路、PDIUSBD12 接口电路、数据选择电路、串并转换电路、挂起复位电路、IDE扩展接口电路等组成，下面分述各部分的功能和特点。
4.2.1 89C51控制电路
89C51是该接口电路的控制核心，其中P0,P2口用做16位数据I/O口，P1,P3口用做控制。
89C51的晶振频率为24MHz,每个机器周期为0.5us.
4.2.2 PDIUSBD12 接口电路
PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个 USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案的一种最快途径。 PDIUSBD12完全符合USB1.1规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等，因此，PDIUSBD12 非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( Zip驱动器)和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用 USB来实现可以直接降低成本。
PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI 、OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。
PDIUSBD12还集成了像SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB功能。
(1)内部结构
① 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与USB电缆接口。
② 电压调整器。片上集成的1个3.3 V电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接到外部1.5 kΩ上拉电阻的输出电压。作为选择，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉电阻的SoftConnect技术。
③ PLL。片上集成1个6~48 MHz的倍频PLL(锁相环)，允许使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低频晶振而减小。PLL的工作不需要外部器件。
④ 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4倍过采样原理从输入的USB 数据流中恢复时钟，能跟踪USB规范中指出的信号抖动和频率漂移。
⑤ PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全实现USB协议层。考虑到速度，它是全硬件的， 不需要固件(微程序)介入。这个模块的功能包括：同步模式识别、并 /串转换、位填充/不填充、CRC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定。
⑥ SoftConnect。高速设备与USB的连接是靠把D+通过1个1.5 kΩ的上拉电阻接到高电平来建立的。在PDIUSBD12中，这个上拉电阻是集成在芯片 内的，缺省是没有连接到VDD，这个连接是靠外部 MCU发一个命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立 USB连接之前完成初始化。重新初始化USB总线连接也可以不用拔掉电缆来完成。
⑦ GoodLink。GoodLink是靠一个引脚接发光二极管实现的。在 USB设备枚举时LED指示灯将立即闪亮;当PDIUSBD12被成功枚举并配置时， LED指示灯将会始终亮;经过PDIUSBD12的USB数据传输过程中， LED将一闪一闪，传输成功后LED熄灭;在挂起期间，LED熄灭。这种特性可以使我们知道 PDIUSBD12的状态，方便电路调试。 ⑧ 存储器管理单元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能缓冲USB(工作在 12Mb/s)数据传输和微控制器之间并行接口之间的速度差异，这允 许微控制器以自己的速度读写USB包。
⑨ 并行和DMA接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接与主微控制器接口。对于微控制器，PDIUSBD12可以看成是一个有8位数据总线和1位地址线的存储设备。 PDIUSBD12支持多路复用和非多路复用的地址和数据总线。在主端点(端点 2)和局部共享存储器之间也可使用DMA(直接存储器存取)传输。它支持单周期模式和块传送模式 两种DMA传输。
(2)PDIUSBD12引脚说明
(3)PDIUSBD12的典型连接
PDIUSBD12与80C51的连接电路如 图4-6 所示。在这个例子中， ALE始终接低电平，说明采用单独地址和数据总线配置。A0 脚接80C51的任何I/O引脚，控制是命令还是数据输入到PDIUSBD12 。80C51的P0口直接与PDIUSBD12的数据总线相连接，CLKOUT 时钟输出为80C51提供时钟输入。
(4)PDIUSBD12的DMA 传输
直接存储器寻址 允许在主端点和本地共享存储器间实现数据块的有效传输.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端点和本地共享存储器间的数据传输可自主进行而不需要本地CPU 的干预.要处理任何DMA传输,本地CPU 从主机接收必要的建立信息并对DMA控制器进行相应的编程.典型的对DMA控制器的传输模式、字节计数寄存器和地址计数器进行正确的编程。在该模式下， PDIUSBD12 发出请求时开始传输，当字节计数器减少为零时终止。在DMA 控制器编程之后，本地CPU 在初始化传输时将PDIUSBD12 中的DMA使能位置位。
评论