??? 摘 要： 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)用在嵌入式指紋識別系統(tǒng)中,，用于嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">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" title="固件程序">固件程序的實(shí)現(xiàn),。
??? 關(guān)鍵詞： 嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)" title="嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)">嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)? USB? PDIUSBD12? 固件程序
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??? 在指紋自動識別系統(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)勢在必行,。
1 嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)
??? 本文所介紹的嵌入式指紋自動識別系統(tǒng)采用DSP與單片機(jī)協(xié)同工作,，以實(shí)現(xiàn)指紋自動識別以及用戶服務(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" title="控制模塊">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,。用戶通過鍵盤輸入控制整個系統(tǒng)的工作流程,，通過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,。而整個系統(tǒng)通過USB接口與上位PC機(jī)之間進(jìn)行通信,。其結(jié)構(gòu)如圖1。
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??? 系統(tǒng)新用戶注冊時(shí),，通過鍵盤輸入注冊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)庫中。如果需要,，也可以通過USB接口將用戶信息和對應(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),。由指紋自動識別系統(tǒng)的特點(diǎn)來看，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,，所以對于處理器來說,，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,，利用一個電平轉(zhuǎn)換芯片和一個8總線收發(fā)器來控制數(shù)據(jù)的選通及流向,，以保證系統(tǒng)能夠正常工作。具體實(shí)現(xiàn)如圖2,。
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??? 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DIR的狀態(tài)來控制數(shù)據(jù)的流向。74HC245為總線傳輸器,，用來控制單片機(jī)同LCD控制芯片KS0108的數(shù)據(jù)通信,，其工作原理與SN74ALVC164245類似，只是沒有電平轉(zhuǎn)換功能,。同樣,，USB服務(wù)芯片通過SUSPEND管腳來使能數(shù)據(jù)線，將SUSPEND腳置高電平時(shí),，整個PDIUSBD12處于休眠狀態(tài),。由此，單片機(jī)就可以通過控制引腳的狀態(tài)來控制數(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)過程中充分考慮到可靠性,、可測性以及電磁兼容性,。其接口電路如圖3所示。
??? 接口電路供電通過撥盤開關(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EOT_N引腳來檢測VUSB是否存在,，并接上一個1M?贅的放電電阻來減弱充電,，以確保當(dāng)VUSB移開時(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)通過對PDIUSBD12的A0腳的狀態(tài)控制來指示并行數(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的活動在設(shè)備接口端都是由PDIUSBD12接收,，然后通過中斷通知單片機(jī)完成。PDIUSBD12上的掛起SUSPEND為一個雙向引腳,，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次沒有檢測到SOP就將掛起腳置高,。
??? PDIUSBD12片上GL_N引腳通過外接發(fā)光二極管來指示系統(tǒng)工作狀態(tài),，在USB枚舉過程中，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將會關(guān)閉,。
??? 片上時(shí)鐘發(fā)生電路采用6MHz晶振" title="晶振">晶振，匹配一個22pF和一個68pF的無源電容,。采用6MHz晶振也是為了降低產(chǎn)品制造過程中產(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,。使用兩個不同容值電容的目的是為了使晶體能夠快速起振，經(jīng)過測量,，晶振的啟動時(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完成，所以對硬件電路設(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)備請求包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求和廠商請求,。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求用來完成USB設(shè)備枚舉的命令，而廠商請求則是根據(jù)具體USB設(shè)備來完成特殊任務(wù)的命令,。對于本文采用的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,，所以對于USB固件程序來說,，USB協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)就可以根據(jù)PDIUSBD12所提供的命令字來完成。最后剩下的就是硬件層上讀寫數(shù)據(jù)的程序?qū)崿F(xiàn),。其總體結(jié)構(gòu)如圖4,。
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??? 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將會自動產(chǎn)生相應(yīng)的中斷來通知固件程序；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)來決定轉(zhuǎn)入相應(yīng)的請求響應(yīng),；響應(yīng)程序通過再下層的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。
??? 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識別系統(tǒng)的USB接口硬件和固件程序的研究和開發(fā),，并結(jié)合上位PC機(jī)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序?yàn)檎麄€嵌入式系統(tǒng)提供了一個穩(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識別系統(tǒng)得到了更廣范的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] Philps.PDIUSBD12 Datasheet.http：//www.21icsearch.com/searchpdf/default.asp?admin=.
[2] Walter Oney.Programming the Microsoft Windows Driver?Model[M].Microsoft Press,，1999.
[3] Compaq,，Intel，Microsoft,，NEC.Universal serial bus specification Revision 1.1.http：//www.8easy.cn/Soft_Show.asp?SoftID=91.
[4] 夏瑋瑋.嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與開發(fā)應(yīng)用,，2003，2.
[5] PDIUSBD12固件編程指南.http：//www.zlgmcu.com.
[6] 王朔,，李剛.USB接口器件PDIUSBD12的接口應(yīng)用設(shè)計(jì),，天津：天津大學(xué).