USB在PCR仪嵌入式系统中的应用
嵌入式系统中的单片机与USB接口集成设计
嵌入式系统中的单片机与USB接口集成设计【引言】随着科技的不断进步和嵌入式系统应用领域的扩展，单片机与各种外设接口的集成设计成为了嵌入式工程师的重要课题之一。
其中，USB接口作为一种常用的通信接口，在嵌入式系统中扮演着重要的角色。
本文将探讨嵌入式系统中单片机与USB接口的集成设计方法，并介绍一些常见的应用案例和技术要点。
【一、单片机与USB接口的基本原理】单片机与USB接口的集成设计需要了解USB协议、USB接口电路以及单片机与USB接口的通信协议。
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种用于连接计算机与外部设备的通信接口，被广泛应用于各种设备，如打印机、键盘、游戏手柄等。
USB接口主要由四个部分组成：主机（Host）、设备（Device）、集线器（Hub）和电缆（Cable）。
在单片机与USB接口的集成设计中，主要关注以下几个方面：1. USB功能的实现：单片机需要支持USB协议栈，并具备相应的硬件资源以实现USB功能。
常见的单片机有USB功能的器件有Pic18F4550、STM32系列、EFM8等。
2. 电路设计与连接方法：单片机与USB接口之间需要设计相应的电路连接，包括时钟电路、电源电路、数据线连接等。
此外，还需要合理选择芯片引脚，确保信号稳定与传输可靠。
3. USB固件设计：单片机与USB接口的通信协议需要在固件层面进行实现。
常见的USB通信协议有USB CDC（通用串行总线类通信协议）和USB HID（人机接口设备类）等。
开发人员需要根据具体的应用需求选择合适的USB通信协议并进行相应的固件开发。
【二、嵌入式系统中的单片机与USB接口集成设计实例】1. USB打印机控制器：单片机可以集成设计用于控制USB打印机的功能。
通过与USB打印机的通信，实现对打印机的控制和数据传输。
例如，将打印机连接到单片机控制器的USB接口，通过发送指令和数据，实现打印功能。
2. USB存储设备控制器：通过单片机与USB接口的集成设计，可以实现对USB存储设备（如U盘）的控制和数据读写。
USB技术的嵌入式系统应用研究
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USB在嵌入式产品中的应用
USB在嵌入式产品中的应用USB是近年来应用在PC领域的新型接口技术，是一些PC大厂商，如 Microsoft、Intel 等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。
现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对 USB的支持。
作为一种通用的串行标准，USB接口势必将扩大很多技术的应用范围。
如果在小体积、低功耗、低成本的嵌入式平台中实现USB技术，嵌入式设备将会有更大的应用空间。
华恒科技在国内率先将USB技术引入嵌入式Linux平台中。
目前，华恒科技的USB接口技术覆盖了高、中、低端的开发套件，如冷火系列的HHCF5249-USBHOST-R1, POWERPC系列的HHPPC823e-WLAN-LCD-USB-R1,ARM系列的HHARM2410-FEC-USB-LCD-R1。
客户在新品开发时不同的主频和处理器性能的需求，华恒科技都能够提供相应的开发平台。
USB接口优点1．接口类型一致2．速度快USB1.1接口的最高传输率可达12 Mb/s，可以满足多媒体的需求，如USB摄像头等设备。
USB2.0标准的接口可以达到更大的速度。
3．接口连接灵活一个USB口理论上可以连接127个USB设备。
连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。
4．提供外设电源对于一些耗电较小的外设，可以直接通过USB接口供电，简化外设，使用方便。
5．具有即插即用的功能6．具有热插拔功能，USB外设可以带电插拔。
U盘在嵌入式系统中的应用USB技术规范将使用USB进行数据传输的双方划分为两种模式：Host(主)和Slave(从)，并且规定数据传输只能发生在Host和Slave之间。
下面讲到的U盘的应用，主要基于嵌入式产品对USB host接口的支持。
嵌入式系统中USB总线的应用
端（ ／ ＷＲ ） 、 中断请 求输 出端 （ ／ Ｉ Ｎ Ｔ ） 分 别与嵌入式 系统 的读 信号 （ ／ Ｏ Ｅ ） 、 写信 号 （ ／ ＷＥ ） 和外部 中断输 入端 （ ／ Ｉ Ｎ Ｔ ３ ７ ５ ） 连 接； 片选控制输入端 （ ／ ｃ ｓ ） 与嵌 入式系统 中译码器输 出端
（ ／ ｃ ｓ — Ｕ Ｓ Ｂ ） 连接 ； 地址线输入端（ Ａ ０ ） 用 于区分命令 口与数 据 口， 与 系统 地址 线 Ａ ０连 接 ， 以上控 制信 号用 于控制 芯片按 照正确的时序工作 。 电路的其他一 些电容 主要用 于电源的退 藕和滤 波 ， 不再一一详叙 。
图 ２中的 Ｘ ８ 为Ｕ Ｓ Ｂ接 口插 座 ， 为了避免 Ｕ Ｓ Ｂ设备 妾 人嵌 入式 系统时 ， 工作 电流突然 加大 ， 干扰嵌 入式 系 充 的正常运行 。在设计 电路 时 ， 在靠 近 Ｕ Ｓ Ｂ接 口插座 的 立 置加 了一个 ２欧姆 的限流电阻 ，用 于防止 Ｕ Ｓ Ｂ设备 妾 入时 电流过载 ； 同时 ， 在 Ｕ Ｓ Ｂ接 口插 座 电源处 加上一 卜１ ０ ０ Ｆ的 电解 电容 ， 用 于储 能和 滤波 ， 提高 Ｕ Ｓ Ｂ端 ］ 的带载和抗干扰能力 。 图 ２中 Ｃ Ｈ ３ ７ ５的复位 端（ Ｒ Ｓ Ｔ Ｉ ） 与嵌入 式 系统 复位 言 号（ Ｒ Ｅ Ｓ Ｅ Ｔ ） 连接 ， 从而保 证嵌 入式 系统 复位时 Ｃ Ｈ ３ ７ ５ 悲 同步复位 ； 发送端（ Ｔ Ｘ Ｄ ） 决定 芯片 的工作方式 ， 该引脚 勺 置弱上拉 电阻 ，在复位 期间输入低 电平 则使能并 口，
丑 扩 展使用 外部地 址空 间 ，但其 要遵循 一定 的通信协 义， 软 件设计 较为复 杂 ， 并且 传输 速度较 并行接 口的传
俞 速度要慢 。对于 大多数 嵌入式 系统应 用 ， 因串口资源 交 少， 而且扩 展外部 地址空 间技术 非常成 熟 ， 故 本接 口
嵌入式系统中USB总线的应用
嵌入式系统中USB总线的应用
翁斌
【期刊名称】《电子质量》
【年(卷),期】2013(000)001
【摘要】详细阐述了一种用于嵌入式系统中的USB总线接口电路,该电路是基于USB专用芯片CH375实现的,并给出了系统硬件实现和应用程序.实验结果表明,该电路具有成本低、可靠性高等特点,可方便地集成到各种嵌入式系统中.
【总页数】3页(P44-46)
【作者】翁斌
【作者单位】安徽省消防电子工程技术中心;蚌埠依爱消防电子有限责任公司,安徽蚌埠233006
【正文语种】中文
【中图分类】TP39
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B无线网卡在嵌入式系统中的应用 [J], 刘玉伟;霍春宝;张扬
B总线和CAN总线在ACE数控测井地面系统中应用 [J], 李正从
B协议在嵌入式系统文件传输中的应用 [J], 应冬青;王健
B在PCR仪嵌入式系统中的应用 [J], 曲天培;赵武
5.嵌入式系统中USB总线驱动的开发及应用 [J], 邵同震;孙光民
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USB芯片CH376在智能仪器仪表中的应用
新 的开 发 系统 ， 因此 开 发 成 本较 高 。另一 种 则 是 采 用普 通 微 处理 器 加 上 专用 的 Ｕ Ｂ通 信 芯 片 。本 文 即介 绍 后 ， 引脚输 出高 电平 ； 该 当
Ｕ Ｂ设 备 配置完 成后 ， 引脚 输 出低 电平 。在 Ｕ Ｂ主 机 Ｓ 该 Ｓ
Ｃ ３６ Ｈ ７ 支持三种通讯接 口： 位并 口、Ｐ 接 口和异 ８ ＳＩ
步 串 口， 片机／ Ｓ ／ Ｕ Ｍ Ｕ等控 制 器 可 以通过 上 述 单 Ｄ Ｐ ＭＣ ／ Ｐ
李萍等 ：Ｓ 芯片 ｃ ７ 智能仪 器仪表 中妁应 用 ＵＢ ｍ ６在
Ｕ Ｂ芯 片 Ｃ ３ ６在 智 能 仪 器 仪 表 中 的 应 用 Ｓ Ｈ７
Ｔ ｅＡ ｐｉ ｔ ｎｏ ｈ ｐ ｌ ａｉ ｆ ｃ ｏ Ｕ Ｂ Ｃ ｉ —Ｃ ７ ｏｔｅＩ ｔ ｌ ｅ ｔ ｎ ｔ ｍｅ ｔ Ｓ ｈ ｐ Ｈ３ ６ｔ ｈ ｎｅ ｉ ｎ ｓ ｕ ｎ ｌｇ Ｉ ｒ
Ｕ Ｂ总线 通用 接 口芯 片 ， 容 Ｕ Ｂ ２０支 持 动态 切换 主 Ｓ 兼 Ｓ Ｖ ．，
机方 式与设 备 方式 。而 且 该 芯 片 内置 了 Ｕ Ｂ通 讯 协 议 Ｓ
状态 指示输 出。在 内置 固件 的 Ｕ Ｂ设 备 方 式 下 ， Ｕ Ｂ Ｓ 当 Ｓ
的基 本 固件和处 理 Ｍａ —Ｓ ｒ ｅ ｓ ｔａ 海量存 储设 备 的专用 通 ｓ ｏｇ
使 用 Ｕ Ｂ 总 线 通 用 接 口 芯 片 Ｃ ３ ６和 ８位 单 片 机 Ｓ Ｈ７
USB协议在嵌入式系统文件传输中的应用
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Ｋｅ ｒ ｓ： ｙ ｗｏ ｄ ＵＳＢ ｐ ｏｏ ｏ ； ３Ｃ２ ４ ｒｔ ｃ ｌ ￥ ４ ０Ａ； ＤＭＡ； ｍｂ ｄ ｄ ｓ ｓｅ ｅ ｅ ｄｅ ｙ ｔ ｍ
１ ２ ＵＳ ． Ｂ总 线协议 和数 据帧格 式
传输 速率 即可 达 １ ｉ ｓ远 高 于 串 口传 输 速 率 ， ２Ｍｂｔ ， ／
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USB接口技术在外置式采样系统中的应用
USB接口技术在外置式采样系统中的应用
刘彤;周功业
【期刊名称】《今日电子》
【年(卷),期】2000(000)007
【摘要】一、前言: 中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大,通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式,占用PC的一个ISA或PCI总线扩展槽,通过ISA或PCI总线的高速数据传输率(往往通过上述总线的DMA模式)实现PC与采样系统的大容量数据交换。
但是,这种内置式形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响,降低系统的采样精度和稳定性。
如果能够将整个系统做成外置式形式,不仅能够提高系统的采样精度和稳定性,还能增强系统的灵活性;同时还有利于系统的维护。
普通的外置式采样系统一般通过RS-232C与PC连接,由于PC机的限制。
【总页数】3页(P18-20)
【作者】刘彤;周功业
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TP271.81
【相关文献】
1.浅谈USB接口技术在智能仪表中的应用 [J], 武珂
2.计算机技术在桥式自动采样系统中的研究与应用 [J], 王博;弥春霞;路镇;高源
3.变带宽技术在变速采样系统中的应用 [J], 邓艾东;袁建虎;洪津
4.互联网逻辑重构技术及其在智能采样系统中的应用 [J], 彭嵩;鲁远
B接口技术在激光打标中的应用 [J], 徐骏平;胡兵;张平化;应花山;郭飞
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USB技术在实时测控系统中的应用
该 基 于 USB 的 实 时 测 控 系 统 设 计 上 严 格 遵 循 USB2.0 协议，实现了 USB 的即插即用特性，可热插拔，使
它们之间的工作关系如图 2 所示，主控制器与协处 理器之间进行单工通讯，将从主机获得的控制信息传输 到协处理器，由 89C2051 协处理器进行处理。
控制信息
CY7C63001
（MCU&USB 主控制器）
采样数据
控制信息
采样数据 状态信息
采样电路 （包括滤波 电路、放大
89C2051 （并行协处理器）
的相关理论基础上进行灵敏度分析，找出影响车门下沉刚度的灵敏部件，将灵敏部件的厚度作为优化设计变量、车门下
沉刚度目标值作为约束、车门部件的重量作为目标函数建立优化模型，运用 adaptive Response Surface Method 优
化算法，找出部件厚度的最优值，在满足车门下沉刚度的同时使车门轻量化。
关键词：轿车车门；下沉刚度；灵敏度分析；优化
中图分类号：TP391.9；U463.83
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2010）03－0100－03
Sinkage Stiffness Analysis and Optimization of Automobile Door Based on Sensitivity Analysis WEI Yong1，2， ZHANG Jun2， CHENG Ai-guo2
USB在PCR仪器嵌入式系统中的应
USB在PCR仪器嵌入式系统中的应
随着U盘的普遍使用和USB技术的嵌入式系统应用，方便用户进行程序修改和程序的存储，PCR设计中采用可以热插拔的USB接口，即在PCR硬件系统中加入了USB主控芯片，使其能够对U盘等存储设备进行读写操作，从而实现数据的存储和转移。
1 USB系统的硬件设计
在数据采集系统中，USB的应用大体可以采用两种方案：一是直接采用集成USB设备接口的嵌入式微控制器;二是采用单独的控制器和独立的USB设备接口芯片。
为增强系统应用的灵活性，该方案采用瑞萨单片机M30627FJPGP，加上USB设备接口芯片搭建硬件系统，具有低成本、易移植的特点。
设计中，USB 设备接口芯片采用CH375，涉及框图如图1所示。
CH375是一款符合USB 2.0协议的USB总线通用接口芯片，支持主机(HOST)方式和设备。
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USB在PCR仪嵌入式系统中的应用
0 引言聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是20世纪80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。
该技术是分子生物学发展史上的一个里程碑，它使得DNA分子可以在生物体外进行放大扩增。
在短短的数年内，这项技术已广泛应用于生命科学的研究中，对基因克隆、DNA序列分析等现代分子生物学技术的发展起到了重要的作用。
我国目前使用的PCR 仪PCR仪主要依赖于进口，为了在该技术领域追赶国际先进水平，与海尔集团联合对PCR仪进行了开发研究。
随着U盘的普遍使用和USB技术的嵌入式系统应用，方便用户进行程序修改和程序的存储，PCR设计中采用可以热插拔的USB接口，即在PCR硬件系统中加入了USB 主控芯片，使其能够对U盘等存储设备进行读写操作，从而实现数据的存储和转移。
1 USB 系统的硬件设计在数据采集系统中，USB的应用大体可以采用两种方案：一是直接采用集成USB设备USB设备接口的嵌入式微控制器；二是采用单独的控制器和独立的USB设备接口芯片。
为增强系统应用的灵活性，该方案采用瑞萨单片机M30627FJPGPM30627FJPGP，加上USB 设备接口芯片搭建硬件系统，具有低成本、易移植的特点。
设计中，USB 设备接口芯片采用CH375，涉及框图。
CH375是一款符合USB 2．0协议的USB总线通用接口芯片，支持主机(HOST)方式和设备(SLAVE)方式，并可以动态地切换主机和设备方式。
CH375芯片提供了通用的被动并行接口，包括：8位双向数据总线D0～D7、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。
CH375以总线方式挂接在单片机数据总线上，并且与多个外围器件共存。
单片机通过RD，WR高位地址译码产生片选CS和地址线P68(接CH375的A0引脚)的综合控制，完成与CH375的通信。
外扩USB电路。
CH375芯片的RD和WR分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。
CS由单片机的CS4选通。
INT输出的中断请求是低电平有效，可以连接到单片机的外部中断上，单片机使用中断方式获知中断请求。
当CS375(即CS)为低电平时，单片机可以与CH375进行通信操作。
此时，当WR为高电平，RD和P68都为低电平时，CH375中的数据通过 D0～D7输出；当RD为高电平且CS和WR及P68都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375芯片中；当RD 为高电平且CS和WR都为低电平而 A0为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。
CH375芯片的UD+和UD-引脚直接连接到USB总线上。
CH375芯片内置了电源上电复位电路，并可以产生复位信号。
为确保上电复位次序，系统设计中，单片机的复位信号是通过CH375产生的，并将单片机与CH375共同接到外部复位电路上。
CH375芯片正常工作时需要外部为其提供12 MHz的时钟信号，在XI和XO引脚之间连接一个标称频率为12 MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接一个容量为30 pF的高频振荡电容。
CH375芯片支持5 V电源电压或者3．3 V电源电压。
该系统使用5 V工作电压，并且V3引脚处外接容量为O．01 μF的电源退耦电容。
2 USB系统的软件设计根据USB 2．O协议，在一个USB系统中，任何一次通信都是由USB 主机发起的。
USB设备根据主机发来的命令给予响应，执行相应的操作。
在USB系统中，其软件包括以下几个部分：主机应用程序、设备驱动程序和设备固件程序。
主机用于程序为用户提供设备应用的操作平台和交互界面，完成数据的处理和转换，向设备发出控制命令等。
设备驱动程序是USB设备正常工作的基础，它提供了设备接人系统时要用到的引导文件、设备信息文件等。
2．1 动态链接库系统应用中CH375提供了设备方式下标准驱动CH375WDM．INF和动态链接库 CH375DL L．DLL，通过加载驱动信息可以在应用程序中直接调用动态链接库。
CH375在计算机端提供应用层接口。
应用层接口是由CH375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。
CH375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。
设计
中采用C语言作为计算机端应用软件的开发平台，首先需要将CH375的动态链接库、驱动程序添加到到编译环境中。
动态链接库的使用，简化了USB设备开发的步骤，降低了开发难度，为系统调试节省了时间。
2．2 应用程序与设备间的通信通过动态链接库的数据传输函数，CH375在与M30627FJPGP之间提供了端对端的连接。
应用程序与设备固件间的通信采用请求加应答方式，该通信方式具有较好的交互性和可控性。
请求加应答方式使用一个下传的主动请求和一个上传的被动应答进行交互式的双向数据通信，下传与上传一一对应，相互关联。
所有的通信都由客户应用程序发起，然后以接收到M30627FJPGP的应答结束。
2．3 固件程序设计 CH375与M30627FJPGP之间设计成完全的中断驱动。
当单片机处理前台任务时，USB 的传输可在后台进行，这就确保了最佳的传输速率和更好的软件结构，同时简化了编程和调试。
后台ISR(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件标志和数据缓冲区来完成，其实现原理。
应用中的单片机读写U盘软件可分成两大部分：应用程序和固件程序。
应用程序完成系统的数据采集、处理任务、外围控制等功能，固件程序处理底层的USB通信协议、文件系统，完成数据在USB总线上的可靠传输和在U盘上的存取操作。
为方便在不同控制器或应用系统上进行移植，固件采取积木式结构，。
2．4 USB读写操作 USB读写操作可根据不同的系统要求设定执行程序。
在PCR仪系统设计中，M30627FJPGP将通过-A／D通道采集到的数据向U盘内指定的文件： ADC_DATA．TXT 追加数据。
开机后，单片机向CH375写入配置字，设定其进入主控(Host)模式，进人数据采集状态，等待USB总线事件发生。
U盘追加数据流程。
3 USB在PCR嵌入式系统中的难点及解决方案传统的USB主控体系结构是PC应用的一种理想的解决方案，而在PCR嵌入式系统中很难实现，具体表现在： (1)嵌入式系统具有的系统资源容量和能力有限； (2)嵌入式应用一般要对实时事件做出及时的响应。
把USB 固件添加到系统中，就会增加复杂性，导致在实时应用的设计和调试中出现更多中断和实时事件； (3)嵌入式市场具有种类繁多的处理器和实时操作系统。
将USB固件开发和移植到任何特定处理器／实时操作系统平台的努力都将花费大量时间，而且需要工作人员在USB技术上具有很高的专业技能。
克服嵌入式装置中USB主控设计的复杂性问题，其方法之一是把与USB即插即用能力相关的智能揉入USB主端控制器本身之中。
要做到这一点，所采取的办法是：把USB主控栈和器件驱动的共用组件嵌入到USB控制器硬件中；将USB 主控功能压缩到语族与ANSI C兼容的API中，而这些API被系统用来获取USB主控制器中的USB主控功能。
这种设计方法可以带来一个无需系统处理器干预，就能处理USB主控活动的USB主控制器。
它不仅让系统资源的消耗降至最低，而且也将通过系统总线的USB 数据流减至最小。
API的设计将简单易行，并且独立于处理器和实时操作系统，从而有效地降低了API集移植和集成的难度。
4 结语 PCR仪系统的设计，实现USB总线在嵌入式系统中的基本应用模式。
PCR仪中USB 主机的实现方法，体现了USB存储设备的灵活性和方便性，USB系统嵌入到PCR仪中方便了用户的操作，提高了PCR仪的工作效率和仪器的可用性。