基于USB总线的设计与开发
【网学提醒】：本文主要为网上学习者提供基于USB总线的设计与开发，希望对需要基于USB总线的设计与开发网友有所帮助，学习一下吧!
资料包括： 论文(42页19994字) 图纸
说明：
本文介绍了一种比较简单方便设计USB设备的方法，设计采用51单片机和USB接口芯片组成的单片机最小系统来实现一个完整的USB设备。
USB设备都可以归结为控制器和USB电气接口这两个基本部分的组合。在设计中，采用的控制器是51单片机AT89C51，USB电气接口则是PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。单片机控制器作为下位机，通过USB电气接口芯片和USB总线与PC机交换数据，并实现USB设备的逻辑功能。
本文结合USB1.1接口技术，从硬件和软件两个方面，从电路设计、固件程序设计、驱动程序和应用程序设计，由低层到高层逐步详细讲解USB设备的开发过程。本文的重点在于阐述系统硬件设计和系统固件的实现方法。论文首先简要介绍了USB接口的现状和发展趋势，系统要实现的功能，以及各章节的安排；然后简要介绍了USB体系，让读者对USB协议有一定的了解；接着详细介绍了系统的硬件设计方案，包括由C51和PIDUSBD12芯片组成的USB基本功能模块，系统扩展功能模块的设计和实现方法；紧接着介绍了系统软件的具体实现，包括固件程序，系统驱动程序和应用程序的设计实现。这一部分重点阐述了系统固件的实现，以及如何运用软件工具Win Driver开发系统驱动和应用程序；论文最后一部分讲述了系统的调试过程，包括硬件测试和在Win Driver环境下的系统调试，以及在调试过程遇到的问题和解决方法。
系统开发的最终硬件成果是一个带有USB接口的设备，通过USB电缆与PC机相连接，能够实现主机对设备的列举，以及和PC机交换数据，并实现其扩展功能。
关键词：USB,单片机系统,PDIUSBD12,固件,Win Driver
ABSTRACT
This paper introduced a simple and convenient method to design a USB apparatus, that is to say, to realize an intact USB apparatus with a minimum system of single-chip computer that made of 51 single-chip computer and USB interface. In later chapters, we can see, all the USB apparatus can come down to two basic association of part: a controller and a USB electric interface. In this system, I adopted 51 one-chip computer AT89C51 as its controller, the chip PDIUSBD12 of PHILIPS Company as its electric interface. The one-chip computer as the next machine, exchanges the data with the PC, through the USB bus and USB electric interface chip, and it realizes the logic function of USB apparatus.
The paper, combing the USB1.1 interface technology, from the hardware to the software, from the circuit design and the design of firmware program, to the design of driver and employ program, from the low. to the senior level, explain progressively the development course of USB apparatus in detail. It emphasize in introducing the design of hardware and firmware. The paper is described in four parts. First part studied the development trend of USB interface, the function to realize, and the arrangement of every chapters in brief. Second part brief introduced USB system, lets us have a preliminary knowledge of USB protocol. The third part introduced the design of the hardware of the system, including the minimum system of single-chip computer that made of 51 single-chip computer and USB interface, and the expand module of the system. The fourth part recommended the software of the system, including design of firmware program, driver and employ program. This chapter will emphasize in describing the design of firmware.
The final hardware achievement is a piece of equipment with USB interface, it can exchange data with PC, and realize its expand function, through connecting with PC.
Keywords： USB single-chip computer system Firmware Win Driver
目录：
第1章 绪 论1
1.1 选题现状以及发展趋势1
1.2 系统实现功能1
1.3 论文内容及组织结构2
第2章 USB技术3
2.1 USB总线概述3
2.1.1 USB总线简介3
2.2.2 USB总线的优点3
2.2 USB协议简介4
2.2.1 USB物理体系结构4
2.2.2 USB设备逻辑结构5
2.2.3 USB传输类型6
2.2.4 USB低层通信协议6
2.3 USB接口技术8
第3章 系统硬件电路设计9
3.1 设备电路系统概述9
3.2 51单片机最小系统9
3.3 PDIUSBD12外围电路及其与单片机的连接设计10
3.3.1 PDIUSBD12介绍10
3.3.2 USB外围电路及其与单片机连接14
3.4 扩展功能电路的设计15
3.4.1 PS/2串行接口的扩展设计15
3.4.2 Flash存储器的扩展设计16
3.4.3 LPT并行接口的扩展设计17
第4章 系统软件设计19
4.1 固件程序的设计与实现19
4.1.1 描述符19
4.1.2 固件程序的结构20
4.2 驱动程序的设计与实现24
4.2.1 驱动程序概述24
4.2.2 WDM设备驱动程序结构24
4.2.3 驱动程序开发的工具软件25
4.2.4 用Win Driver开发驱动程序25
4.3 系统应用程序开发26
4.3.1 应用程序的实现的功能26
4.3.2 利用Win Driver实现应用程序27
第5章 系统调试28
5.1 系统硬件测试28
5.2 系统软件调试及系统测试28
结束语30
参考文献31
附 录32
参考文献：
李军，51系列单片机高级实例开发指南，北京，北京航空航天大学出版社，2002。
胡晓军等，USB接口开发技术，西安，西安电子科技大学出版社，2005。
杨代华、叶敦范、王典洪等，单片机原理及应用，武汉，中国地质大学出版社，2002。
（美）Jan Axelson，USB大全，北京，中国电力出版社，2001。
张念淮，USB总线接口开发指南，国防工业出版社，1999。
赵广林，轻松跟我学protell99se, 北京，电子工业出版社，2005。
马忠梅、马岩、张凯等，单片机的C语言应用程序设计，北京，北京航空航天大学出版社，1996。
潭浩强，C语言程序设计，北京，清华大学出版社，1997。
许永和，USB外围设备设计与应用，北京，北京航空航天大学大学出版社，2002。
李华等，MCS-51系列单片机使用接口技术，北京，北京航空航天大学出版社，2000。
勒达，单片机应用系统开发实例导航，北京，人民邮电出版社，2003。
Chris Cant，Windows WDM设备驱动程序开发指南，西安，西安电子科技大学出版社，2000。
莫林利，赵秀绍，用VC++实现与USB驱动程序的通信，电脑编程技术与维护，2003年第1期。
张宏，USB接口技术，西安，西安电子科技大学出版社，2002。
[15] 周航慈，单片机应用程序设计技术，北京，北京航空航天大学出版社，2000。
[16] 王幸之、王雷，单片机应用系统抗干扰技术，北京，北京航空航天大学出版社，2003。
[17] TEXAS INSTRUMENTS，Linear Circuits Data Book，1998.
[18] Compaq，Intel, Universal Serial Bus Specification revision,2000.
[19] Steve Leibson, The Handbook of Microcomputer Interface, 1999.
[20] Microcontroller Hand book, Inter Corp, 1996.
[21] Compaq, Intel, Microsoft etc, Universal Serial Bus Specification revision1.1,1998.
作者点评：
本文从硬件和软件两个方面详细地介绍了基于USB总线的设计与开发过程以及相关技术要点。系统设计过程中涉及到的技术如下：
1、USB技术
2、单片机的C语言程序编写
3、底层驱动开发技术
4、Visual C++6.0的应用程序设计
在该系统设计和开发过程中，本人做了以下的工作：
第一阶段：收集、阅读和分析资料，通过不断的分析比较，寻求一种比较完善的设计方法，从理论上找出了本系统设计的依据。
第二阶段：系统硬件电路图的设计和电路的测试。包括由51单片机与PDIUSBD12组成的基本功能模块的设计和调试，系统扩展功能模块的设计。
第三阶段：系统软件模块的设计。包括系统固件的实现，USB芯片底层驱动程序的设计，运用Win Driver工具对系统驱动程序和应用程序的实现。由于USB协议和底层驱动相当复杂，自己C语言运用能力也有限，在这个阶段中，自己也需要通过不断的学习，来完成本阶段的工作。这个阶段的工作难度和强度较大，是本系统设计的关键。
第四阶段：与PC机相连接的系统整机调试。
第五阶段：论文的撰写。
在该系统设计与开发过程中，我将大学四年学到的知识连接起来了，将它们运用到实际中。自己系统电路设计能力得到了提高，从USB协议的了解，到单片机的熟练运用；从方案的分析设计，到系统的具体设计实现；从运用Protel的电路图绘制，到实际电路的焊接；从软件编程语言的运用，到系统电路的检测调试。
限于自己的能力和开发条件，USB总线系统还有待改进和完善的地方。还需要进一步加强完善通讯的各种测试方法手段，从而建立与PC机的通信。
资料包括： 论文(42页19994字) 图纸
说明：
本文介绍了一种比较简单方便设计USB设备的方法，设计采用51单片机和USB接口芯片组成的单片机最小系统来实现一个完整的USB设备。
USB设备都可以归结为控制器和USB电气接口这两个基本部分的组合。在设计中，采用的控制器是51单片机AT89C51，USB电气接口则是PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12。单片机控制器作为下位机，通过USB电气接口芯片和USB总线与PC机交换数据，并实现USB设备的逻辑功能。
本文结合USB1.1接口技术，从硬件和软件两个方面，从电路设计、固件程序设计、驱动程序和应用程序设计，由低层到高层逐步详细讲解USB设备的开发过程。本文的重点在于阐述系统硬件设计和系统固件的实现方法。论文首先简要介绍了USB接口的现状和发展趋势，系统要实现的功能，以及各章节的安排；然后简要介绍了USB体系，让读者对USB协议有一定的了解；接着详细介绍了系统的硬件设计方案，包括由C51和PIDUSBD12芯片组成的USB基本功能模块，系统扩展功能模块的设计和实现方法；紧接着介绍了系统软件的具体实现，包括固件程序，系统驱动程序和应用程序的设计实现。这一部分重点阐述了系统固件的实现，以及如何运用软件工具Win Driver开发系统驱动和应用程序；论文最后一部分讲述了系统的调试过程，包括硬件测试和在Win Driver环境下的系统调试，以及在调试过程遇到的问题和解决方法。
系统开发的最终硬件成果是一个带有USB接口的设备，通过USB电缆与PC机相连接，能够实现主机对设备的列举，以及和PC机交换数据，并实现其扩展功能。
关键词：USB,单片机系统,PDIUSBD12,固件,Win Driver
ABSTRACT
This paper introduced a simple and convenient method to design a USB apparatus, that is to say, to realize an intact USB apparatus with a minimum system of single-chip computer that made of 51 single-chip computer and USB interface. In later chapters, we can see, all the USB apparatus can come down to two basic association of part: a controller and a USB electric interface. In this system, I adopted 51 one-chip computer AT89C51 as its controller, the chip PDIUSBD12 of PHILIPS Company as its electric interface. The one-chip computer as the next machine, exchanges the data with the PC, through the USB bus and USB electric interface chip, and it realizes the logic function of USB apparatus.
The paper, combing the USB1.1 interface technology, from the hardware to the software, from the circuit design and the design of firmware program, to the design of driver and employ program, from the low. to the senior level, explain progressively the development course of USB apparatus in detail. It emphasize in introducing the design of hardware and firmware. The paper is described in four parts. First part studied the development trend of USB interface, the function to realize, and the arrangement of every chapters in brief. Second part brief introduced USB system, lets us have a preliminary knowledge of USB protocol. The third part introduced the design of the hardware of the system, including the minimum system of single-chip computer that made of 51 single-chip computer and USB interface, and the expand module of the system. The fourth part recommended the software of the system, including design of firmware program, driver and employ program. This chapter will emphasize in describing the design of firmware.
The final hardware achievement is a piece of equipment with USB interface, it can exchange data with PC, and realize its expand function, through connecting with PC.
Keywords： USB single-chip computer system Firmware Win Driver
目录：
第1章 绪 论1
1.1 选题现状以及发展趋势1
1.2 系统实现功能1
1.3 论文内容及组织结构2
第2章 USB技术3
2.1 USB总线概述3
2.1.1 USB总线简介3
2.2.2 USB总线的优点3
2.2 USB协议简介4
2.2.1 USB物理体系结构4
2.2.2 USB设备逻辑结构5
2.2.3 USB传输类型6
2.2.4 USB低层通信协议6
2.3 USB接口技术8
第3章 系统硬件电路设计9
3.1 设备电路系统概述9
3.2 51单片机最小系统9
3.3 PDIUSBD12外围电路及其与单片机的连接设计10
3.3.1 PDIUSBD12介绍10
3.3.2 USB外围电路及其与单片机连接14
3.4 扩展功能电路的设计15
3.4.1 PS/2串行接口的扩展设计15
3.4.2 Flash存储器的扩展设计16
3.4.3 LPT并行接口的扩展设计17
第4章 系统软件设计19
4.1 固件程序的设计与实现19
4.1.1 描述符19
4.1.2 固件程序的结构20
4.2 驱动程序的设计与实现24
4.2.1 驱动程序概述24
4.2.2 WDM设备驱动程序结构24
4.2.3 驱动程序开发的工具软件25
4.2.4 用Win Driver开发驱动程序25
4.3 系统应用程序开发26
4.3.1 应用程序的实现的功能26
4.3.2 利用Win Driver实现应用程序27
第5章 系统调试28
5.1 系统硬件测试28
5.2 系统软件调试及系统测试28
结束语30
参考文献31
附 录32
参考文献：
李军，51系列单片机高级实例开发指南，北京，北京航空航天大学出版社，2002。
胡晓军等，USB接口开发技术，西安，西安电子科技大学出版社，2005。
杨代华、叶敦范、王典洪等，单片机原理及应用，武汉，中国地质大学出版社，2002。
（美）Jan Axelson，USB大全，北京，中国电力出版社，2001。
张念淮，USB总线接口开发指南，国防工业出版社，1999。
赵广林，轻松跟我学protell99se, 北京，电子工业出版社，2005。
马忠梅、马岩、张凯等，单片机的C语言应用程序设计，北京，北京航空航天大学出版社，1996。
潭浩强，C语言程序设计，北京，清华大学出版社，1997。
许永和，USB外围设备设计与应用，北京，北京航空航天大学大学出版社，2002。
李华等，MCS-51系列单片机使用接口技术，北京，北京航空航天大学出版社，2000。
勒达，单片机应用系统开发实例导航，北京，人民邮电出版社，2003。
Chris Cant，Windows WDM设备驱动程序开发指南，西安，西安电子科技大学出版社，2000。
莫林利，赵秀绍，用VC++实现与USB驱动程序的通信，电脑编程技术与维护，2003年第1期。
张宏，USB接口技术，西安，西安电子科技大学出版社，2002。
[15] 周航慈，单片机应用程序设计技术，北京，北京航空航天大学出版社，2000。
[16] 王幸之、王雷，单片机应用系统抗干扰技术，北京，北京航空航天大学出版社，2003。
[17] TEXAS INSTRUMENTS，Linear Circuits Data Book，1998.
[18] Compaq，Intel, Universal Serial Bus Specification revision,2000.
[19] Steve Leibson, The Handbook of Microcomputer Interface, 1999.
[20] Microcontroller Hand book, Inter Corp, 1996.
[21] Compaq, Intel, Microsoft etc, Universal Serial Bus Specification revision1.1,1998.
作者点评：
本文从硬件和软件两个方面详细地介绍了基于USB总线的设计与开发过程以及相关技术要点。系统设计过程中涉及到的技术如下：
1、USB技术
2、单片机的C语言程序编写
3、底层驱动开发技术
4、Visual C++6.0的应用程序设计
在该系统设计和开发过程中，本人做了以下的工作：
第一阶段：收集、阅读和分析资料，通过不断的分析比较，寻求一种比较完善的设计方法，从理论上找出了本系统设计的依据。
第二阶段：系统硬件电路图的设计和电路的测试。包括由51单片机与PDIUSBD12组成的基本功能模块的设计和调试，系统扩展功能模块的设计。
第三阶段：系统软件模块的设计。包括系统固件的实现，USB芯片底层驱动程序的设计，运用Win Driver工具对系统驱动程序和应用程序的实现。由于USB协议和底层驱动相当复杂，自己C语言运用能力也有限，在这个阶段中，自己也需要通过不断的学习，来完成本阶段的工作。这个阶段的工作难度和强度较大，是本系统设计的关键。
第四阶段：与PC机相连接的系统整机调试。
第五阶段：论文的撰写。
在该系统设计与开发过程中，我将大学四年学到的知识连接起来了，将它们运用到实际中。自己系统电路设计能力得到了提高，从USB协议的了解，到单片机的熟练运用；从方案的分析设计，到系统的具体设计实现；从运用Protel的电路图绘制，到实际电路的焊接；从软件编程语言的运用，到系统电路的检测调试。
限于自己的能力和开发条件，USB总线系统还有待改进和完善的地方。还需要进一步加强完善通讯的各种测试方法手段，从而建立与PC机的通信。