原创 Paper | USB设备开发:从入门到实践指南(四)

IoT 1个月前 admin
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作者:Hcamael@知道创宇404实验室
时间:2024年3月13日
从本篇开始就要研究USB设备开发硬件部分的知识,本系列硬件部分文章的学习案例来源于《圈圈教你玩USB》。



1 准备工作


参考资料

在硬件开发中,首要步骤是进行硬件设计,其中包括电路图设计、布线、出板和焊接等环节。

然而,针对新手而言,建议不要从最初的硬件设计阶段开始学习。相反,建议首先购买成品设备,然后掌握软件开发的知识,之后再尝试进行硬件设计的工作。

因此,本文将从单片机开发开始学习,后续文章将涵盖硬件设计的内容。在此前提下,第一步是需要在网上购买相关的开发板,可以在淘宝、咸鱼等网站上搜索关键字:”圈圈教你usb开发板”。在本系列中不提供购买链接,请自行解决开发板的问题。如果不想购买现成的开发板,并且对自己的动手能力有信心,可以参考后续文章进行硬件设计。

本文案例中所使用的设备如下图所示,总花费为57¥(个人自行设计打板的总花费并不比购买成品低)。

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图1:USB开发51单片机

在购买了成品单片机后,还可以从商家获取该单片机的原理图,如下图所示:

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图2:USB开发51单片机原理图

还需要了解两个主要芯片的型号,以便搜索相关文档,其中51单片机芯片的型号为:STC89C52RC,USB芯片的型号为:PDIUSBD12,知晓芯片型号后,可以通过搜索引擎获取相关文档,并在后续开发过程中参考这些文档。

对于没有进行过单片机开发的人来说,可以将单片机理解为集成了CPU、RAM和ROM的芯片。在后续开发工作中,我们控制单片机运行,编译出的程序需要写入(通常称为下载)到单片机的ROM中。不同的单片机具有不同的下载方式。对于STC89C52RC单片机而言,可以通过TTL串口直接下载程序到单片机中。

因此,还需要准备一个串口线,由于开发板设计了RS-232串口母口,所以可以准备一个RS-232串口公口转USB线。或者直接用单片机的TTL串口,但这就需要准备一个TTL串口转USB的设备。

1.1 开发环境

大部分情况下,开发单片机用的都是Windows系统,所以绝大部分好用的工具都是Windows程序。但是,我还是喜欢在Mac系统下做开发工作,经过研究,搭建了Mac下的单片机开发环境。

首先安装VSCode,再安装PlatformIO IDE插件,这样一个轻量级的单片机开发环境就搭建完成了。

在本文的样例中,需要修改开发目录下的platformio.ini,按以下示例进行修改:

; PlatformIO Project Configuration File
;
; Build options: build flags, source filter
; Upload options: custom upload port, speed and extra flags
; Library options: dependencies, extra library storages
; Advanced options: extra scripting
;
; Please visit documentation for the other options and examples
; https://docs.platformio.org/page/projectconf.html

[env:STC89C52RC]
platform = intel_mcs51
board = STC89C52RC
upload_port = /dev/tty.usbserial-0001 # ttl串口

按照上述过程进行环境搭建,不需要再额外的安装编译器,PlatformIO IDE会自带编译器,使用的编译工具叫sdcc。另外,下载器(用于将编译好的程序写入单片机)使用的工具是stcgal,PlatformIO IDE也可以将其一起安装好。但是有时候需要单独使用stcgal,如果在终端中直接使用PlatformIO IDE中安装的stcgal会比较麻烦,步骤如下:

$ source ~/.platformio/penv/bin/activate
python3 ~/.platformio/packages/tool-stcgal/stcgal.py -h
usage: stcgal.py [-h] [-a] [-r RESETCMD] [-P {stc89,stc12a,stc12b,stc12,stc15a,stc15,stc8,usb15,auto}] [-p PORT]
[-b BAUD] [-l HANDSHAKE] [-o OPTION] [-t TRIM] [-D] [-V]
[code_image] [eeprom_image]

stcgal 1.6 - an STC MCU ISP flash tool
(C) 2014-2018 Grigori Goronzy and others
https://github.com/grigorig/stcgal

positional arguments:
code_image code segment file to flash (BIN/HEX)
eeprom_image eeprom segment file to flash (BIN/HEX)

options:
-h, --help show this help message and exit
-a, --autoreset cycle power automatically by asserting DTR
-r RESETCMD, --resetcmd RESETCMD
shell command for board power-cycling (instead of DTR assertion)
-P {stc89,stc12a,stc12b,stc12,stc15a,stc15,stc8,usb15,auto}, --protocol {stc89,stc12a,stc12b,stc12,stc15a,stc15,stc8,usb15,auto}
protocol version (default: auto)
-p PORT, --port PORT serial port device
-b BAUD, --baud BAUD transfer baud rate (default: 19200)
-l HANDSHAKE, --handshake HANDSHAKE
handshake baud rate (default: 2400)
-o OPTION, --option OPTION
set option (can be used multiple times, see documentation)
-t TRIM, --trim TRIM RC oscillator frequency in kHz (STC15+ series only)
-D, --debug enable debug output
-V, --version print version info and exit
因此,建议自行使用pip install stcgal来安装该工具,这样就可以在终端中直接使用stcgal命令了。

1.2 测试串口

设备连接图如下所示:

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图3:USB开发板和开发电脑的连接示意图

对照着原理图,假设TTL转USB设备为A,USB开发板为B,那么连接如下所示:

  • A的GND连B的任意一个GND。

  • A的5V连B的任意一个VCC。

  • A的TXD连B单片机的RXD。

  • A的RXD连B单片机的TXD。

B单片机的RXD和TXD口,可以参见原理图中J8和J3的10/11口。

如果一切正常,可以在/dev目录下发现/dev/tty.usbserial-0001文件,然而,由于使用的TTL转USB的设备不同,导致生成的文件可能不一样,但文件都会处于/dev目录下,这些文件名通常包含关键字如ttyusb等。通过插拔操作,查看/dev目录下的文件变动,也是一种方法。

如果存在/dev/tty.usbserial-0001文件,运行以下命令,可以查看单片机是否能正常工作:

$ stcgal -P stc89 -p /dev/tty.usbserial-0001
Waiting for MCU, please cycle power:
# 程序将会在输入上面的数据后卡住,这时候需要重新拔插VCC线,无所谓是在A设备上还是B设备上,经验来说,拔插B设备上的VCC线最方便。
# 如果一切正常,会得到以下输出
Target model:
Name: STC89C52RC/LE52R
Magic: F002
Code flash: 8.0 KB
EEPROM flash: 6.0 KB
Target frequency: 22.090 MHz
Target BSL version: 6.6C
Target options:
cpu_6t_enabled=False
bsl_pindetect_enabled=False
eeprom_erase_enabled=False
clock_gain=high
ale_enabled=True
xram_enabled=True
watchdog_por_enabled=False
Disconnected!



2  第一个单片机程序


参考资料

在单片机开发中,实现一个类似于”Hello World”的功能确实比较困难。通常情况下,学习编程语言时我们会写”Hello World”,但在单片机开发中,要实现类似功能,需要一系列步骤。

首先你需要一个屏幕,其次必须编写该屏幕的驱动程序,才能在屏幕上输出Hello World。再简单点,就是通过串口输出Hello World,但这同样需要编写一个串口驱动程序。

第一个程序就编写驱动是非常不友好的,对于我来说,编写第一个程序的目的是为了了熟悉开发流程,并确保编译、下载和运行的正常执行。因此,我们可以将第一个程序的目标降低到点亮一盏LED灯。

通过原理图可以看出,单片机的P20P27口连接到了LED1LED8这8盏LED灯。这8盏LED灯的另一头连接到了1k欧姆的排阻(RP1)上,而排阻连接到了VCC电源上。所以当P20输出0时,LED1电路就会导通,LED1灯就会发光。

现在,我们编写第一个程序,让P20输出为0,代码如下所示:

// src/main.c
#include <8051.h>

void main()
{
P2_0 = 0;
while (1);
}

通过PlatformIO IDE创建的项目目录如下所示:

$ ls -a
. .gitignore .vscode lib src
.. .pio include platformio.ini test

由于VSCode装了PlatformIO IDE插件,所以在打开了PlatformIO IDE项目的情况下,编写好代码后,在左下角找到一个✓图标,点击就可以编译编写好的程序,也可以使用快捷键:shift + cmd + b

编译完成后,可以点击build图标右边的→图标,表示将编译好的程序下载到单片机中。在输出行看到Cycling power: done时,重新拔插VCC线,就可以下载程序到单片机中了。

如果一切正常,在下载结束后,就可以看到单片机中LED1灯常亮。

在第一个程序写完后,可以查看8051.h头文件的内容,其中对51单片机的各个端口和寄存器做了宏定义,这样可以方便地控制单片机的各个端口。比如P2_0就表示原理图中的P20端口,大小为1bit,P2表示的是单片机的P20P27端口,大小为1byte。

不同架构的单片机使用的头文件不同,可以通过搜索引擎或者GPT根据芯片型号来找到相应的头文件。在搜索或询问时,记得带上sdcc关键词。

3  第二个程序——定时器中断


参考资

第二个程序我们来了解一下单片机的定时器中断,不同单片机的定时器中断实现不一样,这个时候需要参考单片机的相关文档,请通过芯片型号+pdf关键字,自行使用搜索引擎获取芯片文档。

首先,需要编写一个定时器的初始化函数,代码如下所示:

//定时器0初始化
void Timer0Init()
{
TMOD &= 0xF0; //设置定时器模式
TMOD |= 0x01; //设置定时器模式
TL0 = 0x00; //设置定时初值
TH0 = 0x00; //设置定时初值
ET0 = 1; //使能定时器0中断
TR0 = 1; //启动定时器0
}

通过直接对寄存器赋值的方式来对单片机进行配置,各个寄存器表示的内容可以参考文档,比如TMOD寄存器的功能描述如下图所示:

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图4:TMOD寄存器功能描述

TR0寄存器属于TCON寄存器的比特位,功能描述如下图所示:

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图5:TCON寄存器功能描述

ET0寄存器属于IE中断寄存器的比特位,功能描述如下图所示:

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图6:中断寄存器功能描述

通过对上述三个寄存器的功能描述,可以看出Timer0Init函数的作用有以下几个方面:

  • 开启定时器0,设置模式1,为16位定时器。

  • 16位定时器使用的计数器为8bit的TL0和8bit的TH0,,因此最大计数次数为65536次。

  • TL0和TH0组合成了定时器的计数器T0,每个工作周期,T0 += 1,当T0溢出时,设置TF0寄存器为1,从而触发中断。

定时器的一个重要参数是时间,表示定时器一个循环的时间。通过上面的总结,我们可以知道,TL0和TH0寄存器就是用来控制循环时间。根据文档中一个计算示例,我们可以确定该单片机的时间参数应该如何设置,如下图所示:

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图7:定时器时间计算案例

通过USB开发版的原理图,可以看出单片机的X1/X2端口外接了外部晶振,该晶振的频率为22.1184MHz,因此一个机器周期为:12 / 22118400 ≈ 0.54μs

最大循环时间为:65536 * 0.54 ≈ 35389.44μs ≈ 35ms

假设定义循环时间为20ms,那么可以求得T0的计数次数为:20 * 1000 / 0.54 = 36864

对计数次数取反,就是TL0/TH0寄存器的设置值:65536 - 36864 = 0x7000,那么需要设置:TL0 = 0x00, TH0 = 0x70

时间计算完成后,我们开始实现定时器的功能。在本次的测试案例中,我们定义一个走马灯功能,共有8个LED灯,从左向右循环亮起,间隔时间为1s。实现代码如下所示:

#define LEDs P2
volatile uint8 times = 0;
volatile uint8 TLED = 0b11111110;

//定时器0中断
void Timer0Isr() __interrupt 1
{
// 每20ms触发一次中断
TH0 = 0x70;
TL0 = 0x00;

// 使LED从左往右闪烁,间隔1s,1s / 20ms = 50次循环
if (times == 50) {
times = 0;
LEDs = TLED;
TLED = (TLED << 1) | (TLED >> 7);
// 不建议使用LEDs = (TLED << 1) | (TLED >> 7);因为如果LED坏了会影响LEDs的值
} else {
times++;
}
}

最后,再简单写一个main函数,就可以编译程序了,main函数如下所示:

void Timer0Isr(void) __interrupt 1; //在SDCC编译器中,如果不声明中断,中断不会生效

void main()
{
// 初始化定时器
Timer0Init();
// 开启中断,EA为IE中断寄存器的比特位,是所有中断的总开关
EA = 1;
while (1);
}
这样,一个走马灯的程序就开发完了,接着进行编译,下载到单片机中,就可以看到LED灯以1s的间隔,从左往右依次亮起。

4  第三个程序——TTL串口中断


参考资

STC89C52RC单片机自带TTL串口,可以通过该串口下载程序到单片机中,同样也可以使用串口与单片机通信。

首先来看一下串口的初始化函数,代码如下所示:

#define Fclk 22118400UL
#define BitRate 9600UL

// 初始化UART配置
void InitUART()
{
EA = 0; // 暂时关闭中断
TMOD &= 0x0F; // 定时器1模式控制在高4位
TMOD |= 0x20; // 定时器1工作在模式2,自动重装模式
SCON = 0x50; // 串口工作在模式1
TH1 = 256 - Fclk/(BitRate*12*16); // 计算定时器重装值
TL1 = 256 - Fclk/(BitRate*12*16); //
PCON |= 0x80; // 串口波特率加倍
ES = 1; // 允许串口中断
TR1 = 1; // 启动定时器1
REN = 1; // 允许接收
EA = 1; // 开启中断
}

初始化的各个寄存器同样是通过看芯片文档可以理解各自的用途,如果文档里写的比较简单,可以单独搜索该寄存器,或者询问GPT,都是很容易理解作用的寄存器。

然而,有几个注意事项需要考虑:

  1. Fclk为晶振的频率,BitRate为设置的串口的波特率,在实际开发的过程中发现,可能是为了节省空间,SDCC在编译的过程中把将整型默认设置为short。对于频率和波特率,short型长度明显不够,所以需要在整型结尾加上UL表示unsigned long类型值。

  2. PCON |= 0x80实际表示的是SMOD = 1,由于在计算TH1值的时候使用了除法,可能出现除不尽的情况。而TH1为1字节的整型,所以在遇到该情况时,可以设置 SMOD=1,这样有可能能够除尽。

  3. SMOD=1时,TH1的计算公式为:256 - Fclk/(BitRate*12*16),当SMOD=0时,TH1的计算公式为:256 - Fclk/(BitRate*32*16)

接下来是编写串口的中断函数和串口的读写函数,代码如下所示:

volatile char Sending = 0; // 发送标志

// UART 接收中断服务
void UARTIsr() __interrupt 4
{
if (RI) // 当RI = 1时,表示接受到数据,数据储存在SBUF中
{
// 清除中断请求
RI = 0;
SBUF = SBUF; // 用户输入回显
}
if (TI) // 当TI = 1时,表示开始写数据,数据储存在SBUF中
{
TI = 0;
Sending = 0;
}
}

// 发送一个字符
void UartSendChar(char c)
{
SBUF = c;
Sending = 1; //设置发送标志
while(Sending); //等待发送完成
}

// 发送一个字符串
void UartSendString(char *s)
{
while (*s)
{
UartSendChar(*s++);
}
}

接下来可以简单编写一个main函数,代码如下所示:

void UARTIsr() __interrupt 4;

void main()
{
// 初始化Uart函数
InitUART();
UartSendString("Hello World!n");
while (1);
}

编译程序并将其下载到单片机中后,就可以与USB开发版进行串口通信。串口通信的波特率设置为9600,模式为8N1。每次重置单片机时,都可以在串口中接收到Hello World!字符串,并且可以看到输入字符的回显,如下图所示:

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图8:串口输出

5 第四个程序——检测PDIUSBD12芯片是否正常


参考资学完了前面三个程序后,可以说已经入门了单片机开发,能进行以下几种基础操作:控制端口输出,编写中断函数,通过uart口输出调试信息。

接下来第四个程序,第四个程序的主要任务是让单片机与其他外部芯片进行通信。在这个阶段,我们需要参考原理图,查看PDIUSBD12芯片的哪些引脚和单片机相连,并且需要参考D12芯片的参考文档来编写交互代码,简而言之,我们需要实现两种函数:一种用于单片机向D12芯片传输数据的写函数,另一种用于单片机获取D12芯片返回数据的读函数。

首先,参考D12文档和USB开发版原理图来设置一些宏定义,代码如下所示:

// A0值的宏定义
// A0引脚表示数据传输口传输的是数据还是命令,命令为1,数据为0。
#define PDIUSBD12_DATA_ADDR 0x00
#define PDIUSBD12_CMD_ADDR 0x01

// D12的D0-D7引脚为数据传输口,共8位1字节,连接到单片机的P00-P07
#define PDIUSBD12_DATA P0
// PDIUSBD12芯片与单片机其他连接引脚
#define PDIUSBD12_INT P3_2
#define PDIUSBD12_A0 P3_5
#define PDIUSBD12_WR P3_6
#define PDIUSBD12_RD P3_7

// 选择命令或数据地址
#define D12SetCommandAddr() PDIUSBD12_A0 = PDIUSBD12_CMD_ADDR
#define D12SetDataAddr() PDIUSBD12_A0 = PDIUSBD12_DATA_ADDR

// WR和RD控制
#define D12SetWr() PDIUSBD12_WR = 1
#define D12ClrWr() PDIUSBD12_WR = 0
#define D12SetRd() PDIUSBD12_RD = 1
#define D12ClrRd() PDIUSBD12_RD = 0

// 获取中断状态
#define D12GetInterrupt() PDIUSBD12_INT

// 读写数据
#define D12GetData() PDIUSBD12_DATA
#define D12SetData(x) PDIUSBD12_DATA = (x)

// 将数据口设置为输入状态,51单片机端口写1就是为输入状态
#define D12SetPortIn() PDIUSBD12_DATA = 0xFF
// 将数据口设置为输出状态,由于51单片机是准双向IO口,所以不用切换,为空宏
#define D12SetPortOut()

接着根据下面的并行接口时序图来编写读写函数,时序图如下所示:

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图9:并行接口时序图

代码如下所示:

// D12 写命令
void D12WriteCommand(uint8 command)
{
D12SetCommandAddr(); // 表明DATA中的数据为命令
D12ClrWr(); // WR_N置低
D12SetPortOut(); // 将数据口设置为输出状态
D12SetData(command); // 将命令写入数据口
D12SetWr(); // WR_N置高
D12SetPortIn(); // 将数据口设置为输入状态
}

// D12 写数据
void D12WriteData(uint8 command)
{
D12SetDataAddr(); // 表明DATA中的数据为数据
D12ClrWr(); // WR_N置低
D12SetPortOut(); // 将数据口设置为输出状态
D12SetData(command); // 将命令写入数据口
D12SetWr(); // WR_N置高
D12SetPortIn(); // 将数据口设置为输入状态
}

// D12 读单字节
uint8 D12ReadByte()
{
uint8 data;
D12SetDataAddr(); // 表明DATA中的数据为数据
D12ClrRd(); // RD_N置低
data = D12GetData(); // 读取数据
D12SetRd(); // RD_N置高
return data;
}

接着,通过文档资料发现存在一个ReadID = 0xFD命令,可以获取D12芯片的ID编码,以此来判断芯片是否能正常工作,ID值为固定的0x1012。根据该信息,编写以下代码:

// PDIUSBD12芯片读ID命令
#define D12_READ_ID 0xFD

// D12 执行ReadID命令
uint16 D12ReadID()
{
uint16 id;
D12WriteCommand(D12_READ_ID); // 执行ReadID命令
id = D12ReadByte(); // 读取ID低字节
id |= (D12ReadByte() << 8); // 读取ID高字节
return id;
}

获取到ID值后,打算通过串口把ID值输出,需要编写一个输出整型的函数,代码如下所示:

__code uint8 HexTable[] = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F'};

// 将short转换为hex字符串
void UartSendShortToHex(uint16 x)
{
uint8 i;
uint8 output[7] = {0,};
output[0] = '0';
output[1] = 'x';
for (i = 5; i >= 2; i--)
{
output[i] = HexTable[x & 0x0F];
x >>= 4;
}
UartSendString(output);
}

最后编写main函数,读取D12芯片的ID并且输出,代码如下所示:

void main()
{
uint16 idv;

// 初始化Uart函数
InitUART();
UartSendString("Hello World!rn");
// 获取芯片ID
idv = D12ReadID();
// 输出芯片ID
UartSendString("Get PDIUSBD12 ID: ");
UartSendShortToHex(idv);
UartSendString("rn");
while (1);
}

编译以上代码,并且下载到单片机当中,得到结果如下图所示:

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图10:示例四输出结果
得到以上结果,说明D12芯片一切正常,可以进行后续开发工作。后续的USB开发工作将在后续文章中继续讲解。

6 参考链接


参考资学完了前面三个程序后,可以说已经入门了单片机开发,能进行以下几种基础操作:控制端口输出,编写中断函数,通过uart口输出调试信息。

[1]https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=platformio.platformio-ide

[2] https://github.com/grigorig/stcgal



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作者名片



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版权声明:admin 发表于 2024年3月13日 下午3:52。
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