本文针对现有与计算机通信的高速接口存在的问题，以STC89C58为核心，基于USB接口芯片CH372设计了一个高速接口，详细介绍了硬件电路设计，下位机固件程序设计和上位机应用程序设计。结果表明，该接口能很好完成高速通信，有较高的可靠性，可用于检测测量控制系统的高速数据采集和监控调试等场合，具有很大的应用价值。
0 引言
在现代科学研究和工业现场应用中，信号采集和图像处理等诸多领域，对高速的数据通信要求越来越高。传统的高速数据通信多是基于PCI，ISA等接口的数据卡，存在过多占用系统资源、设计复杂、不便携带、价格较高和扩展性差等缺点。因此提出一种基于USB接口芯片CH372实现的高速接口。USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是在1995年被提出来的，并由Compaq，Digital Equipment Corp，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Northern Telecom等7家公司定义和推广[1]。由于其具有的易扩展，支持热插拔，价格低廉，使用方便等优点，应用广泛，已成为计算机外设的主流必备接口之一，具有低速和高速两种模式，在USB2.0高速模式下，速率可达480Mbps，满足大部分高速通信的要求。
1 CH372芯片介绍
CH372是沁恒公司生产的USB总线的通用设备接口芯片。在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上;在计算机系统中，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讯就如同读写文件。同时，CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB 类规范的设备[2]。
CH372为全速USB，兼容USB2.0，即插即用，外围元器件简单，只需要晶体和电容。提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输等多种传输模式。通用Windows驱动程序提供设备级接口，通过DLL提供API应用层接口。可以自定义厂商标识( Vendor ID) 和产品标识( Product ID) 。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]。由于CH372内置了USB底层通讯协议，且提供驱动程序，大大节省了开发者的开发时间，提高效率，降低了成本。
2 硬件设计
CH372与单片机连接可选择总线扩展或非总线扩展的方式，在本设计中，AT89C58和CH375采用地址/数据复用的总线扩展方式连接。
CH372芯片的八位数据线与单片机P0口连接，RD#和WR#则分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚，片选信号CS#为低时选中芯片，INT#用于接单片机中断引脚INT0，中断请求为低电平有效。当A0引脚为高电平时选择命令端口，可以写入新的命令，或者读出中断标志;当A0引脚为低电平时选择数据端口，可以读写数据[3]。
CH372的UD+和UD-引脚直接连接到USB总线上。R1是为了芯片安全而串接保险电阻，大小为1Ω。CH 372芯片内置了电源上电复位电路，一般情况下，不需要外部提供复位。CH372的VCC接+5V电源，在VCC和GND之间的0.1μF电解电容C2用于外部电源退耦，电容C1选用独石电容或者高频瓷片电容，用于CH372内部电源节点退耦。在设计PCB时，退耦电容C1和C2要尽量靠近CH372的相连引脚;使D+和D-信号线尽量平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰;尽量缩短XI和XO引脚相关信号线的长度，为了减少高频时钟对外界的干扰，可以在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。
3 软件设计
3.1 下位机固件程序设计
下位机固件程序是与CH372相连的单片机中执行的代码，配合相应上位机应用程序，实现数据通信。
固件程序主要分为初始化程序模块和中断程序模块，下面分别介绍：
初始化程序模块：初始化程序首先向CH372发送测试工作状态的命令，检查CH372是否正常工作，如不正常，重复发送硬件复位命令多次。然后设置外部自定义的USB设备VID和PID，此项操作为可选，不执行该命令则使用默认的VID和PID。接下来设置USB的工作模式，这是必须要有的操作。最后，置外部信号为低电平触发，清中断标志，允许CH372中断。
中断程序模块：USB协议规定，任何传输都必须由主机发起。上位机发送命令给CH372后，CH372通过中断的方式通知单片机。CH372支持所有的四种USB数据传输方式。可根据具体应用使用相应传输方式。进入中断后，首先获取中断状态并情中断标志，然后根据读取的中断状态进行对应操作。如果是端点下传，则从当前USB中断的端点缓冲区读取数据块，根据与上位机应用层约定的命令进行操作，并释放缓冲区。如果是数据发送，则从下位机的指定地址缓冲区中读取数据块，上传数据。
3.2 上位机固件程序设计
上位机程序由设备驱动程序和应用程序组成[4]，CH372已经提供了设备驱动程序，开发者可以直接使用。CH372在计算机端还提供了应用层接口，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。CH372动态链接库提供的API包括：设备管理API、数据传输API和中断处理API。开发者只需要调用相应的接口函数，就可以方便实现对CH372的操作，大大提高了开发效率。
上位机程序采用Visual Studio 2010编写，DLL负责与内核态的USB功能驱动程序通信。对上位机程序来说，CH372是一个拥有设备名称的文件。程序提供对设备打开、关闭，对参数的设置以及通信数据的显示等功能。上位机程序与下位机程序约定命令结构，识别命令与数据包，方便分析。上位机首先加载动态链接库CH372DLL.DLL，然后调用OpenDevice函数打开设备，采用定时查询的方式，发送命令给CH372，获取采集数据，进而对数据做相应处理。
4 测试和结论
通过上位机程序测试了数据传输准确性和速度。在STC89C58，24M晶振条件下，上传和下传速度均已达到1MBps，同时具有较高准确性。本文详细介绍了基于CH372的高速接口的硬件和软件实现，实现了高速的数据通信，该设计硬件电路简单，使用方便，有很好的可靠性和稳定性，采用独立的USB接口芯片，便于替换升级各领域系统的接口，可以方便地移植到其它控制器中，在工业领域具有广泛的应用前景。
版权所有