一种新型的USB通信技术研究

通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是在1995年被提出来的，并由Compaq，Digital Equipment Corp(现属于Compaq)，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Northern Telecom等7家公司定义和推广。由于USB技术具有易于使用、热插拔、速度快、功耗低等特点，使得USB通信技术得到广泛应用。基于此，本文提出了一种基于CH372芯片的USB通信技术，可实现单片机与计算机之间的USB通讯。

1 CH372简介
    USB接口芯片种类繁多，基本上可分为两类：一类是内带有CPU通用功能的USB接口芯片，另一类是内部不带集成CPU的纯粹的USB接口芯片。CH371、CH372、CH375芯片系列就是后者。本研究中，由于USB接口仅用于读写等数据传送功能，且数据处理及信号转换部分还需单片机控制，因此选用纯粹的USB接口芯片CH372与AT89C52单片机配合实现。在单片机端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便挂接到单片机／DSP／MCU／MPU等控制器的系统总线上；在计算机端，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通信就如同读写文件一样便捷。
    CH372芯片与普通的通用串口芯片相比有以下优点：
    1)全速设备接口，兼容USB2．0，即插即用，外围元器件只需晶体和电容即可；
    2)提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输；
    3)具有省事的内置固件模式和灵活的外部固件模式，内置固件模式下屏蔽了相关的USB协议，自动完成标准的USB枚举配置过程，完全不需要本地端控制器做任何处理，简化了单片机的固件编程；
    4)通用Windows驱动程序提供设备接口，通过DLL提供API应用层接口；
    5)通用的本地8位数据总线，4线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出；
    6)主端点上传下传缓冲区各64字节，辅助端点上传下传缓冲区各8字节。

2 系统硬件电路设计
    CH372芯片在本地端提供了通用的被动并行接口，包括：8位双向数据总线D7～D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#、中断输出引脚INT#以及地址输入引脚A0。通过被动并行接口，CH372可以很方便地连接到各种8位单片机、DSP、MCU芯片上，并且可以与多个外围器件共存。基于CH372芯片的信息和参数。这里给出了CH372芯片单片机端的USB通讯电路，如图1所示。同时，该芯片可通过普通USB传输线实现与计算机的互通，图1中J1即为USB接头。

    CH372芯片电路及PCB板设计需要注意的事项有：
    1)为了降低电磁辐射，减少来自外界的干扰，PCB板的晶体Y1的金属外壳接地；
    2)为了降低对时钟信号的干扰，PCB设计时尽量不在晶体及振荡电容附近走线，尤其是不要走继电器、电动机等带有瞬时冲击电流的电源线和强信号线；
    3)给USB插座单独供电，使USB设备刚插上时的电容充电过程不影响单片机和CH372：
    4)在USB插座前串接限流电阻或电感；
    5)PCB板布局要合理，电阻电容对齐，温度敏感的器件布置远离电源，板子要敷铜。

3 软件设计
    CH372在计算机应用层与本地端单片机之间提供了端对端的连接，在这个基础上，USB接口可以选用单向数据流和请求加应答两种通讯方式。采用请求加应答的方式实现通信，都是由计算机主动请求，单片机被动应答完成数据传输。在程序编制过程中约定3种数据传输模式，通过计算机传输数据进行确定，分别是：
    1)计算机下传数据01H，单片机上传存放数据的文件的参数；
    2)计算机下传数据02H及8字节参数，8字节参数包括存放数据的地址、数据的数量，单片机通过调用相关子程序分析参数，并将相应的数据上传；
    3)计算机下传数据03H，单片机执行关闭CH372的操作命令。
3．1 单片机端程序
    在单片机端采用汇编语言编写程序，在程序设计过程中，考虑到系统的可靠性、稳定性以及调试过程直观性的需要，故采用汇编语言编写程序，程序流程如图2所示。

3．2 计算机端程序
    CH372在计算机端提供了应用层接口，应用层接口是由CH372动态链接库DLL提供的面向功能应用的API，所有API在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。CH372动态链接库提供的API包括：设备管理API、数据传输API、中断处理API。
    在计算机端采用Visual Basic(VB)编写程序，利用VisualBasic的该特性，调用CH372动态链接库DLL提供的面向功能的应用API函数编写计算机端的应用程序，其工作流程如图3所示。

4 试验结果
    本文自主研发的基于CH372的USB通信技术，设计约定了3种通信模式，下面仅介绍模式2(下传02H和8字节参数)下的通信调试过程，其调试通信步骤如下：
    1)在计算机端安装了CH372的Windows系统下的驱动CH372DRV，安装后，上位机电路板可以像U盘一样在计算机上进行热插拔。
    2)运行上位机板USB芯片的初始化程序后，计算机端设备管理器会跳出如图4的窗口，表示芯片工作正常，计算机和上位机板就可以采用请求加问答的方式进行通信。
    3)计算机运行Visual Basic平台下的程序代码如下所示，向上位机发送数据02H和参数。


    4)发送数据结束后，计算机跳出如图5反馈窗口，该窗口表示下传9个参数成功，单片机在接收到02H及相应的参数后，通过分析参数，确定要上传数据的存放地址、上传数据的个数，并通过CH372将数据上传至计算机。在计算机端，接收的数据放在预先设定的文件中，如图6所示，以备为计算机分析处理数据所调用。

5 结束语
    本文研究了基于CH372的USB通讯技术，设计了采用CH372实现单片机与计算机连通的硬件电路，并自主开发了计算机端和单片机端的应用程序。试验表明在所设计的约定下，单片机与计算机很好地实现了数据通信，且该设计能够明显提高了系统数据传输速度，增强了数据传输的准确性和可靠性。