ＵＳＢ設備設計的一種簡便快速實現

摘 要：首先介紹基于接口芯片CH372的USB設備設計方法，該方法免去了煩瑣的USB驅動程序和下位機的USB總線操作固件程序的開發。接著具體介紹了該方案在多功能人體生物電信號處理系統設計中的應用。

關鍵詞：USB設備；USB通信；生物電信號處理

中圖法分類號：TP336文獻標識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0252—02

通用串行總線(Universal Serial Bus)是1995年Microsoft，Compaq，IBM等公司聯合制定的一種新的總線接口協議[1]。作為一種外設接口，它較其他接口有以下四個優點:

（1）使用方便，所有的USB設備支持熱插拔，系統對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置，使用接口可以連接多個不同的設備。 

（2）有較高的信息傳輸速率(USB1.1支持最高傳輸速度為12Mbps，而USB 2.0的傳輸速度可達到480 Mbps)。

（3）連接靈活，一個系統可支持127個物理設備，且可以實現最多五級的星型拓撲連接。

（4）獨立供電，接口提供了內置電源，能向低壓設備提供5V電源。

由于以上優點， PC機外部設備通過USB接口通信已成為一種發展趨勢。基于PC-USB設備、主從結構的系統開發，可以利用PC機強大的運算處理能力及網絡通信能力實現系統的功能，組成功能強大、分布靈活的系統。

1 USB設備設計的一種簡便快速實現

基于獨立運作的USB接口芯片，如USBN9602，開發USB接口一般要求設計人員對 USB的標準、Firmware編程及驅動程序的編寫等有較深入的理解，因此限制了一般的硬件工程師對USB接口產品的開發使用；基于內含USB單元的MCU， 如C8051F320，開發USB接口，雖然簡化了MCU的Firmware編程、接口電路的設計，但是也必須進行復雜的客戶機驅動程序的編寫[2，3]，而且它們的開發工具都較貴。使用接口芯片CH372可以快速簡便實現USB設備開發[4]。

1.1 基于接口芯片CH372的USB設備設計

CH372是一個USB總線的通用接口芯片，如圖1所示。在本地端，CH372具有八位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出， 可以方便地掛接到單片機、DSP等控制器的系統總線上。

在計算機系統中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的應用程序接口，與本地端的單片機通信就如同讀寫硬盤中的文件一樣。CH372屏蔽了USB通信中的所有協議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接。CH372的外置電路如圖2所示，CH372連接單片機總線如圖3所示。

這樣USB接口芯片CH372就成為了單片機系統的外部I/O接口單元，對USB總線讀寫操作就像對外部I/O端口的讀寫一樣。有了這樣的構架，就能實現具體的USB設備開發，利用計算機的網絡功能構架USB設備網絡系統。

1.2 軟件設計

單片機固件程序設計，包括設備功能單元的控制處理模塊和USB數據傳輸模塊，USB數據傳輸模塊具體實現見下文的介紹。

計算機應用層程序設計。在計算機上裝載廠家提供的CH372通用驅動程序后，不必再考慮USB通信協議、驅動程序、自動配置過程和底層數據傳輸過程，只需要根據廠家提供的動態鏈接庫的接口函數，用Delphi或 ＶＣ++ 編制自己的應用程序即可。

2 USB設備設計方案在多功能人體生物電信號處理系統中的應用

人體有各種生物電信號，如心電、腦電和肌電等。這些信號一般都較微弱，故需放大，初步濾波，然后經A/D轉換，再把數據上傳給PC機處理。多功能人體生物電信號處理系統實現實時信號的波形顯示、存儲、回放、分析，自動測量血氧飽和度、血壓、體溫等功能。其傳輸速度要求為4KBps，基于接口芯片CH372的USB通信足以滿足其要求。

2.1 用多個MCU實現USB數據傳輸及設備控制模塊

本文將上述USB設備設計方案應用于多功能人體生物電信號處理系統中。其系統組成如圖4所示。用多MCU協調工作實現數據傳輸及設備控制模塊。USB通信單片機MCU3專門負責數據命令的上下傳輸，數據采集打包單片機MCU1負責把各設備功能執行單元的數據采集打包，控制單片機MCU2實現整個設備的協調，各功能執行單元由多個作業MCU控制。這樣設計結構清晰，可以針對具體的設備操作選擇內嵌具體功能模塊的作業MCU，如要進行數據采集時可選擇內嵌多路模擬轉換開關和A/D轉換模塊的MCU，不然用單個MCU處理時，協調處理各種大、小、快、慢、定時、隨機等不同性質的數據將會很困難和由此造成數據流瓶頸、速度變慢。圖4中，為了實現多MCU的數據交互，在單片機外部設計一個數據緩沖器，一個命令緩沖器，以數據包為單位FIFO。數據采集打包單片機MCU1不斷地往緩沖器輸入數據，數據緩沖器能裝下四個數據包，第一個數據包字段裝滿即發出中斷，請求控制USB通信的單片機MCU3傳輸數據。當單片機MCU3傳完第一個數據包后面的數據馬上移進來，如此循環。同樣，命令緩沖器能裝下三個命令包，控制USB通信的單片機MCU3只管將接到的下傳命令包往命令緩沖器中送，第一個命令包滿即發出中斷，請求設備控制單片機MCU2讀取處理命令。

2.2 單片機USB通信程序設計

單片機USB通信子程序流程如圖5所示，下位機數據上傳子程序流程如圖6所示。下位機INT0中斷服務程序流程如圖7所示。CH372的收發器只有64Bytes大，而為了提高傳輸速度要求數據包比較大，所以一個數據包要分為若干次上傳。在中斷INT1服務程序中傳輸完整的數據包，結構較清晰，但為了提高效率只傳一組即64Bytes數據，余下的若干組在接收到上傳成功中斷INT0后，在其中斷服務程序中繼續上傳。

2.3 應用程序層的USB通信程序編寫

USB通信程序模塊負責上傳數據的接收、卸包保存，下傳命令的打包、下傳。用Delphi或ＶＣ++等開發工具均可以實現USB通信模塊。PC機應用程序層的USB通信程序模塊流程如圖8所示。

把USB通信模塊封裝成類，定義好數據包的數據結構，有利于裝包與拆包，有利于其他單元的使用，多線程的同步。

2.4 基于接口芯片CH372的USB通信模塊的測試結果

（1）正確性:下傳任意長度數據(0—64Bytes)，測試2 000次，編程實現下傳的數據和返回的數據比較，測試

（2）下傳速度:數據量204 800Bytes，速度255 936Bps，時間8 002ms。

（3）上傳速度：數據量204 800Bytes，速度272 666.8Bps，時間7 511ms。

上述測試結果表明，它很好地實現了上位機與下位機的通信、交互。

3 結束語

隨著USB接口芯片廠商提供的技術支持越來越友好，USB設備的接口設計將變得越來越容易，由于USB通信自身的優點，USB設備將得到越來越廣泛的應用。這應該是以后接口芯片發展的方向。基于CH372的USB接口，具有硬件設計簡單、軟件編程容易、成本低、傳輸速率快、可靠性高等特點，相信基于CH372 的USB設備新產品將會越來越多。

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