基于高速51单片机的模拟USB接口设计

基于高速51单片机的模拟USB接口设计

作者：廖颂文

摘要：参照AVRUSB技术给出了51单片机通过模拟USB通信的实现方法。用VC编写了上位机软件，通过libusb驱动实现了PC与ST12LE5608AD的通信。

关键字：AVRUSB，模拟USB，NRZI编码，USB通信协议，libusb驱动,VC。

1994年11月11日USB正式诞生，1996年1月15日，USB1.0发布，1998年USB开始流行，2000年4月27日高速USB2.0发布,传输速率达480Mb/S, 2008年11月12日USB3.0发布，传输速率可达5Gb/s。至今USB被广泛应用，带串口和并口的PC越来越少，这使得基于单片机的设备必须将串口经过USB芯片转换才能和PC通信，为了解决MCU和PC通信的问题，1998年Atmel公司开发了AVRUSB技术，这是一种不通过USB芯片，直接使用单片机的IO口模拟USB通信协议完成单片机与PC通信的技术,理论上任何一款速度足够快的高速单片机都可以通过IO模拟USB1.1的通信协议。本文给出了广泛使用的也是最易上手的低成本1T 51单片机模拟USB通信实现的方法。

USB1.1使用单端伪差分信号，速率1.5Mb/S；USB2.0使用差分信号传输，最低速率12Mb/S，最高480Mb/S,详细的USB通信协规范可以参考《Universal Serial Bus Specification》。所以对于51、 AVR或STM8单片机，只能模拟出USB1.1规范的通信。本文参照AVRUSB 给出了USB在STC12LE5608AD单片机上的实现，适用于STC12系列和STC10系列的单片机，也可以移植到性能相同的51单片机。重点是SIE的实现，其余部分可以参考AVRUSB相关技术文章。

USB1.0通信中使用的是NRZI编码，信号是伪差分信号，当Dp=1时Dm=0，Dp=0时Dm=1，SE0和SE1信号信号除外。这种编码不需要时钟和数据一起发送，电平跳变代表0，无电平跳变代表1。为了避免一长串1导致的接收方失去同步信号，USB使用位填充机制，在6个连续1后面强制填充0，特殊情况是6个1后面原本就是0，但USB位填充机制还是会在6个1后面填充0，将信号状态变为11111100，接收方必须将填充的0丢弃，还原数据。如图1-1所示：X表示是填充的数据位。

图1-1

对比AVRUSB，51单片机必须完成5部分的功能USBSYNC同步帧的识别，USB数据的接收，USB数据的解码，USB数据回传。其中USB SYNC同步帧的识别，USB数据的接收，有着严格的时序要求和实时性。 USB数据的解码和USB数据回传在USB通信超时之前完成即可。

USB主机与MCU通信前，发送数据是先发送SYNC同步帧，接着是PID等数据，如图1-2所示。

图1-2

当主机发送USB数据给从机时，先输出SYNC同步帧，Dm被首先变低，MCU利用低电平进入中断，经过延时进入中断USB通信处理程序，通过示波器测量工作在33MHZ的STC12LE5608AD这个延时大约640ns。这个延时对于不同型号，不同批次的单片机会有差异，气温变化也会导致这个延时变化。SYNC同步帧识别必须将延时考虑进去，详见代码。

接下来是SIE的核心代码，由于STC12单片机的速度比AVR单片机慢，不能像AVR单片机一样接收1bit后异或操作得到实际数据，所以用跳转取代异或操作。接收1字节的流程如图2-1所示，程序中使用了宏汇编，并且每个字节调用一次宏，最后拼接完11字节的数据(去掉同步信号，低速USB一次最多发送11字节数据，包括1字节PID、8字节数据和2字节CRC校验数据)，这种算法虽然增加了程序大小，但MCU处理速率可以低一点，适用于多数1T MCU。发送数据流程如图2-2。

图2-1

图2-2

使用注意事项:

Usbdrv.c中的void usbProcessRx(void)函数用于处理控制传输，包括USB识别过程中必须的操作和用户控制传输，函数被IN令牌处理函数调用，必须在USB超时前完成所有功能，所以回传的数据中CRC是提前计算的。如果修改这部分的代码，例如idVendor、idProduct和usbDescriptorStringVendor等必须同时修改CRC值。

如图3-1，例子中使用的是P3.3和P3.4口，中断用的是INT1。如果使用其它接口，需要修改A51_USB.A51文件中对应的USB_INT_Fg、USB_INT_En、USB_Dp、USB_Dm、USB_Port、USB_CFG_IN_P、USB_CFG_IN_N 、USB_CFG_OUT_P、USB_CFG_OUT_N、USBddr_I、USBddr_O定义和usbdrv.h文件中USBDDR_I、USBDDR_O、USB_DP_CFG、USB_DM_CFG、USB_CFG_INT、USB_INT_EN、USB_INT_FG、USB_INT_TYPE的定义。STC12系列单片机和STC10系列单片机的指令一样，但IO口配置寄存器的定义不一样，移植时需要交换PxM0和PxM1位置，这一点对比两个型号的datasheet即可发现。

使用3.3V的STC12LE5608ADUSB端口不需要加嵌位电路。5V的STC12系列单片机，需要在Dp和Dm信号加3.3V嵌位电路。因为SIE 在每1bit只采集1次信号，这对于低速的USB是足够的，但在干扰较大情况下，可以按照USB规范在Dp和Dm信号线上增加电容滤除高频干扰，但应注意信号上升时间增加导致SIE采样点偏移的问题。

A51USB SIE必须工作在33MHZ，受处理速度限制A51USB SIE在接收数据时直接丢弃了CRC16校验，PID和地址端口数据直接使用比对判断结果，没有CRC5校验。如需校验数据可以在应用层校验。例子中A51USB只使用了控制传输，没有使用中断传输，传输速率可以达到5KB/S。最后提供基于VC的上位机测试程序源码及MCU源码（文件名A51USBDataTest、USB_ADC），用户可以在此基础上修改。PC程序中使用的libUSB和 AVRUSB中的一样，这里不再赘述。

图3-1

参考文档：

1.《USB2.0原理与工程开发》（第2版），李英伟等著，工业出版社。

2. 《AVR309 USB协议转换到UART》

3.《Universal Serial Bus Specification Revision1.1》

作者:

成都理工大学，测控技术与仪器

联系方式：

邮箱:songwenliaopb@126.com ，songwenliao@126.com

QQ:406613851

基于高速51单片机的模拟USB接口设计相关推荐

51单片机控制系统的人机交互接口设计【51单片机与LED数码管的动态显示接口案例分析】
本章节利用Keil uVision5和ISIS 7 Professional两个软件来进行仿真实验. [例]运用51单片机实现8位8段数码管的动态显示,LED数码管的段选数据由51单片机的P0口控制, ...
基于51单片机的电子万年历的设计-源代码
电子万年历的设计目录电子万年历的设计电子万年历的系统整体设计框图所需要的元件 DS18B20模块 DS18B20的特点 DS18B20内部结构 DS18B20管脚排列 DS1302模块 SPI时 ...
【制作】基于金沙滩51单片机的电子密码锁程序
基于金沙滩51单片机的电子密码锁程序很久之前做的一个课设,在B站发了效果视频,发现忘记分享代码了,现在整理分享一下. 零.设计报告 1.设计要求这部分是讲的整个系统实现了什么功能. 1.1.密码的 ...
S0011基于51单片机DS18B20温控风扇仿真设计
基于51单片机DS18B20温控风扇仿真设计 (仿真+原理图+源码+设计报告) 原理图:Altium Designer 仿真原版本:proteus 7.8 程序编译器:keil 4/keil 5 编程 ...
51单片机8255扩展c语言,参阅：基于51单片机的实时时钟的设计与开发8255扩展io口1V0.1...
<基于51单片机的实时时钟的设计与开发(8255扩展io口) (1).doc>由会员分享,可免费在线阅读全文,更多与<基于51单片机的实时时钟的设计与开发(8255扩展io口) (1 ...
基于51单片机的电子琴Protues仿真设计
一.设计背景基于51单片机的电子琴是一款由51单片机控制器.音频模块和硬件阵列组成的数字化乐器.它可以模拟各种乐器的音效,同时也具有许多常规电子琴所没有的高级功能. 首先,这种电子琴是以数字信号处理 ...
基于51单片机甲醛浓度检测系统仿真设计（仿真+程序+原理图+报告+讲解）
文章目录资料下载(可点击) 功能说明仿真图复位电路晶振电路程序原理图: 设计报告: 器件清单: 基于51单片机甲醛浓度检测系统仿真设计(仿真+程序+原理图+报告+讲解) 原理图:Altiu ...
基于51单片机的智能家居的设计（一）
基于51单片机的智能家居的设计初级版本项目简介: 该项目可以通过单片机烧写软件发送指令并实现大厅灯跟卧室灯的亮灭.该项目分为四个等级: 1.在单片机烧写软件上面发送指令实现灯的亮灭: 2.用语音模块 ...
基于Atmel 51单片机开发平台和自动控制原理的数字电压表系统
基于Atmel 51单片机开发平台和自动控制原理的数字电压表系统 ///插播一条:我自己在今年年初录制了一套还比较系统的入门单片机教程,想要的同学找我拿就行了免費的,私信我就可以哦~点我头像黑色字体加 ...

基于高速51单片机的模拟USB接口设计

基于高速51单片机的模拟USB接口设计相关推荐

最新文章

热门文章