介紹一種基于單片機(jī)和USB服務(wù)芯片PDIUSBD12的USB接口設(shè)計(jì)。該接口應(yīng)用在嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)中，用于嵌入式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行用戶指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的上傳和下載。詳細(xì)介紹了USB接口的硬件設(shè)計(jì)和固件程序的實(shí)現(xiàn)。

在指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)由于功耗低、設(shè)備體積小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通用串行總線（USB）是由Inter、Microsoft、IBM和NEC等共同制定的微機(jī)總線接口規(guī)范，具有較高的傳輸速率（USB 1.1支持最高傳輸速度為12Mb/s，而USB 2.0的傳輸速度最高可達(dá)到480Mb/s），支持即插即用，占用系統(tǒng)資源少，擴(kuò)展能力強(qiáng)。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，幾乎不可避免與PC機(jī)的通信，由于通信速度的要求以及計(jì)算機(jī)硬件高速發(fā)展，傳統(tǒng)的RS232接口已經(jīng)越來(lái)越不能滿足用戶的需求，所以在嵌入式系統(tǒng)中USB接口的實(shí)現(xiàn)勢(shì)在必行。

1、嵌入式指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

本文所介紹的嵌入式指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用DSP與單片機(jī)協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)指紋自動(dòng)識(shí)別以及用戶服務(wù)系統(tǒng)。其中單片機(jī)選用Philps公司的P89C52，DSP處理器選用TI公司的TMS320C5416。單片機(jī)具有系統(tǒng)控制能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，適合作為系統(tǒng)的控制核心；而DSP采用的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水線、多處理單元以及特殊的指令（乘加指令等），使得DSP具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并且TMS320C5416支持最高160MHz的時(shí)鐘頻率，基于其強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，所以將它作為系統(tǒng)的算法核心處理器。由單片機(jī)為核心的控制模塊主要完成用戶服務(wù)系統(tǒng)和系統(tǒng)通信接口，由DSP為協(xié)處理器的算法模塊完成指紋采集和處理。用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入控制整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，通過(guò)LCD了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)及處理結(jié)果。DSP由其HPI（主機(jī)接口）與單片機(jī)以中斷方式進(jìn)行通信。而整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)USB接口與上位PC機(jī)之間進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)如圖系統(tǒng)新用戶注冊(cè)時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入注冊(cè)ID，然后系統(tǒng)由DSP控制指紋傳感器采集用戶指紋數(shù)據(jù)。如果采集到有效指紋，經(jīng)過(guò)DSP進(jìn)行指紋處理得到指紋模板數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將該指紋模板存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果需要，也可以通過(guò)USB接口將用戶信息和對(duì)應(yīng)模板都上傳至PC機(jī)中備份。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失時(shí)，可以通過(guò)USB接口將PC機(jī)里所存?zhèn)浞菹螺d至系統(tǒng)中。下面著重介紹系統(tǒng)的控制模塊和USB接口的設(shè)計(jì)。

2、系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊的核心處理器為P89C52，由于其接口有限，同時(shí)完成系統(tǒng)控制和USB接口控制將十分困難。而從系統(tǒng)成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間周期和繼承性方面考慮，換用其他處理器也不太方便，所以必須考慮在此處理器的基礎(chǔ)上完成多項(xiàng)任務(wù)。由指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)看，系統(tǒng)在完成指紋錄入或登錄后才需要利用USB接口完成指紋模板和登錄信息的傳輸，所以對(duì)于處理器來(lái)說(shuō)，USB控制和系統(tǒng)控制可以采用時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行。由此，利用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片和一個(gè)8總線收發(fā)器來(lái)控制數(shù)據(jù)的選通及流向，以保證系統(tǒng)能夠正常工作。

SN74ALVC164245為5V～3.3V電平轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)控制單片機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)流向以及電平轉(zhuǎn)換。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的IO電平為5V，而DSP的IO電平為3.3V，所以必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。另外，SN74ALVC164245的OE和DIR腳聯(lián)合控制數(shù)據(jù)的流向，當(dāng)OE為高時(shí)，芯片兩邊的數(shù)據(jù)互相獨(dú)立；當(dāng)OE為低時(shí)，通過(guò)DIR的狀態(tài)來(lái)控制數(shù)據(jù)的流向。74HC245為總線傳輸器，用來(lái)控制單片機(jī)同LCD控制芯片KS0108的數(shù)據(jù)通信，其工作原理與SN74ALVC164245類(lèi)似，只是沒(méi)有電平轉(zhuǎn)換功能。同樣，USB服務(wù)芯片通過(guò)SUSPEND管腳來(lái)使能數(shù)據(jù)線，將SUSPEND腳置高電平時(shí)，整個(gè)PDIUSBD12處于休眠狀態(tài)。由此，單片機(jī)就可以通過(guò)控制引腳的狀態(tài)來(lái)控制數(shù)據(jù)總線，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的時(shí)分復(fù)用。

3、 系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)

3.1 USB接口硬件設(shè)計(jì)

USB接口硬件主要以接口芯片PDIUSBD12為中心，設(shè)計(jì)它與USB物理接口以及微控制器之間的連接。接口模塊通過(guò)跳線選擇供電方式，可同時(shí)支持USB總線供電方式和外設(shè)供電方式，為全速USB設(shè)備接口。設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到可靠性、可測(cè)性以及電磁兼容性。其接口電路如圖3所示。

接口電路供電通過(guò)撥盤(pán)開(kāi)關(guān)K1選擇，當(dāng)K1接MVCC時(shí)，系統(tǒng)為自供電方式；當(dāng)K1接UVSB時(shí)，為總線供電方式。當(dāng)系統(tǒng)處于自供電方式情況下，系統(tǒng)通過(guò)EOT_N引腳來(lái)檢測(cè)VUSB是否存在，并接上一個(gè)1M？贅的放電電阻來(lái)減弱充電，以確保當(dāng)VUSB移開(kāi)時(shí)EOT_N變?yōu)榈停⑶掖藭r(shí)自供電電源與USB總線之間只能共地，同時(shí)設(shè)備不能通過(guò)USB口向VBNS輸出電流。

在單片機(jī)與PDIUSBD12的控制通信方面，單片機(jī)通過(guò)對(duì)PDIUSBD12的A0腳的狀態(tài)控制來(lái)指示并行數(shù)據(jù)總線P0上傳輸內(nèi)容為命令還是數(shù)據(jù)。此時(shí)，PDIUSBD12上用于數(shù)據(jù)地址總線復(fù)用的ALE引腳一直接地。中斷引腳INT_N是系統(tǒng)的關(guān)鍵，幾乎所有USB的活動(dòng)在設(shè)備接口端都是由PDIUSBD12接收，然后通過(guò)中斷通知單片機(jī)完成。PDIUSBD12上的掛起SUSPEND為一個(gè)雙向引腳，由此保證USB設(shè)備既能被設(shè)備主控（單片機(jī)）也能被上位PC機(jī)喚醒，而PDIUSBD12工作時(shí)連續(xù)3次沒(méi)有檢測(cè)到SOP就將掛起腳置高。

PDIUSBD12片上GL_N引腳通過(guò)外接發(fā)光二極管來(lái)指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，在USB枚舉過(guò)程中，LED指示根據(jù)通信狀況間歇閃爍；當(dāng)PDIUSBD12成功枚舉和配置后，LED指示將一直點(diǎn)亮；隨后與PDIUSBD12之間成功地傳輸（帶應(yīng)答）將關(guān)閉LED；處于掛起狀態(tài)時(shí)LED將會(huì)關(guān)閉。

片上時(shí)鐘發(fā)生電路采用6MHz晶振，匹配一個(gè)22pF和一個(gè)68pF的無(wú)源電容。采用6MHz晶振也是為了降低產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生EMI（電磁干擾效應(yīng)）的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橥獠烤€路的頻率越高，其EMI效應(yīng)也會(huì)越強(qiáng)，而在片外電路采用較低頻率并在芯片內(nèi)部進(jìn)行倍頻的措施將既不影響芯片的處理速度，又能提高在外部布線的安全性。使用兩個(gè)不同容值電容的目的是為了使晶體能夠快速起振，經(jīng)過(guò)測(cè)量，晶振的啟動(dòng)時(shí)間在2ms左右。

PDIUSBD12可采用5V和3.3V兩種工作電壓。由于主控單片機(jī)的IO電壓為5V，所以對(duì)PDIUSBD12也使用5V的工作電壓。此時(shí)在接入5V至PDIUSBD12 VCC腳的同時(shí)，要將PDIUSBD12上的VOUT腳空出，接去耦電容。另外，為了減小系統(tǒng)的EMI，在USB連接器輸入側(cè)的VBUS和地線上增加磁珠，如圖3的BLM21P，并且在USB的屏蔽罩與地之間使用容性耦合。

由于USB通信協(xié)議的復(fù)雜性，相當(dāng)一部分工作由硬件電路來(lái)完成，所以對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性要求非常嚴(yán)格，布線要合理要盡量減少分布電容和電磁干擾的影響，硬件電路的質(zhì)量將直接影響到數(shù)據(jù)能否正常傳輸。

3.2 USB設(shè)備固件程序的開(kāi)發(fā)

固件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。USB設(shè)備請(qǐng)求包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和廠商請(qǐng)求。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求用來(lái)完成USB設(shè)備枚舉的命令，而廠商請(qǐng)求則是根據(jù)具體USB設(shè)備來(lái)完成特殊任務(wù)的命令。對(duì)于本文采用的USB服務(wù)芯片PDIUSBD12，其片內(nèi)的SIE（串行接口引擎）實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，且完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要固件的參與，所以對(duì)于USB固件程序來(lái)說(shuō)，USB協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)就可以根據(jù)PDIUSBD12所提供的命令字來(lái)完成。最后剩下的就是硬件層上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序?qū)崿F(xiàn)。

其工作流程大致為：主循環(huán)完成一些初始化工作，轉(zhuǎn)入等待中斷的循環(huán)中；當(dāng)USB總線上有事務(wù)發(fā)生時(shí)，PDIUSBD12將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷來(lái)通知固件程序；然后固件程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序處理中斷，主循環(huán)通過(guò)讀取中斷服務(wù)程序中設(shè)定的事件標(biāo)志和循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)決定轉(zhuǎn)入相應(yīng)的請(qǐng)求響應(yīng)；響應(yīng)程序通過(guò)再下層的PDIUSBD12命令接口程序控制PDIUSBD12完成相應(yīng)數(shù)據(jù)或命令操作。此積木式結(jié)構(gòu)的固件程序組合完成了USB接口設(shè)備從初始化到數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜縐SB活動(dòng)。

本文根據(jù)USB1.1協(xié)議由其服務(wù)芯片PDIUSBD12和單片機(jī)P89C52完成了嵌入式指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的USB接口硬件和固件程序的研究和開(kāi)發(fā)，并結(jié)合上位PC機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序?yàn)檎麄€(gè)嵌入式系統(tǒng)提供了一個(gè)穩(wěn)定性好、傳輸速度快、使用方便的USB接口。達(dá)到嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間靈活通信，使本嵌入式指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)得到了更廣范的應(yīng)用。

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