前言
现代以计算机为核心的总线技术发展迅速，各种基于ＵＳＢ、ＰＣＩ以及ＩＳＡ等总线的系统已非常普遍，但对于用户的特殊要求却不能很好的满足，往往需要单独设计。单独设计开发无论从成本还是从时间上都是很大的浪费。以ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下简单Ｄ１２）和单片机构成的ＵＳＢ总线接口卡，可以根据用户不同的需要，在不必掌握复杂的ＵＳＢ协议的情况下，使自己设备很容易的应用ＵＳＢ跟计算机交换数据，而且能很方便的改造旧系统，充分享用ＵＳＢ带来的诸多方便，如对一般系统不用外接电源。此接口卡具有通用性好、速度快、成本低廉等特点。
１组成结构
本套系统的核心就是ＵＳＢ接口芯片Ｄ１２，它可以与微处理器实现无缝接口，微处理器采用的是ＷＩＮＢＯＮＤ的高性能单片机７７Ｅ５８，控制中枢是ＣＰＬＤ（ＥＰＭ７０６４Ｓ），实现ＵＳＢ数据传输的ＤＭＡ功能，系统还预置了用户ＲＡＭ区，便于用户根据特殊需要灵活的编程控制。
接口卡留给用户使用的接口包括以下几种：ａ、ＦＩＦＯ入口方向的九位数据线；ｂ、７７Ｅ５８的串行口；ｃ、用７７Ｅ５８的Ｐ１口模拟的Ｉ２Ｃ总线；ｄ、用户控制指令数据接口；ｅ、对用户板操作的八位Ｉ／Ｏ口。
图１ ＵＳＢ接口卡系统框图
注：双箭头代表数据线，单箭头代表控制线
２工作原理
１）用户接口部分
ａ、２３２接口就是使用单片机的ＴＸＤ和ＲＸＤ两根线构成，在用户使用此接口之前，可以通过计算机上的软件来设置接口的工作方式及相应的波特率。
ｂ、Ｉ２Ｃ总线是由两根线组成：ＳＣＬ和ＳＤＡ，其中ＳＣＬ是作为数据传输的时钟线，ＳＤＡ是作为传输数据的串行线，在本例中，是通过７７Ｅ５８的两个Ｐ１口来模拟Ｉ２Ｃ总线时序的，用Ｐ１．０和Ｐ１．１两根线分别模拟ＳＤＡ和ＳＣＬ。此卡只能作为Ｉ２Ｃ总线的主机端来使用。
ｃ、九位并行数据线接口。在本例中，把ＦＩＦＯ的一端的数据线开放，留给用户，可以通过此数据线把数据传到ＦＩＦＯ，实现用户板与ＵＳＢ接口卡的通讯，此种接口适用于要求速度比较快的场合。其中，最高位还可作为用户通讯的校验位来使用，提高通讯的质量。
ｄ、控制指令数据接口，即把单片机的数据线对用户开放，可以直接读到控制数据，一般用于传输从ＰＣ机下达的指令，便于控制用户板的工作，如ＡＤ采集的场合等。
Ｅ、对用户板上的Ｉ／Ｏ口，是从ＣＰＬＤ中接出的，可以根据用户要求，从ＰＣ机上传达ＩＯ控制，通过单片机把各ＩＯ状态直接反映到ＣＰＬＤ的Ｉ／Ｏ口上。
以上接口所涉及到的并行总线均使用７４ＬＳ２４５实现总线隔离，在使用之前，需要用户从计算机上发送选择指令，确定使用哪种通讯方式，再由单片机来控制各个总线的开关，使得整个系统能够顺畅工作，避免引起总线的竞争。
２）ＵＳＢ传输部分
在ＵＳＢ传输部分采用接口芯片Ｄ１２，是一款性价比很高的ＵＳＢ器件，它通常用作微处理器系统中，实现与微处理器进行通信的高速通用并行接口。符合通用串行总线ＵＳＢ１．１版规范，片内集成了ＳＩＥ、３２０字节多结构ＦＩＦＯ存储器收发器，可与任何外部微处理器实现并行接口，数据吞吐量可达２ＭＢ／Ｓ，拥有完全自治的直接内存存取ＤＭＡ操作，主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量，能轻松实现实时数据传输。在批量模式和同步模式下均可实现１ＭＢ／Ｓ的数据传输速率，具有良好ＥＭＩ特性，还可为用户提供５００ｍＡ的总线供电能力。
３）、ＣＰＬＤ的控制部分
ＣＰＬＤ程序是采用ＶＨＤＬ语言编写的，主要是配合用户要求，完成数据从ＦＩＦＯ传输到Ｄ１２的ＤＭＡ功能，能够实现用户的快速性要求。另外，就是产生对ＦＩＦＯ的读写信号以及产生接口卡对用户板的一些地址片选信号和８ｂｉｔ的Ｉ／Ｏ控制信号。
Ｄ１２可以通过中断与单片机进行指令通讯，通过ＣＰＬＤ实现ＤＭＡ方式的数据传输，把数据从ＦＩＦＯ传输Ｄ１２中。只要把用户的数据传输到Ｄ１２的ＦＩＦＯ里面，应用程序就可以通过驱动程序把数据读到计算机的缓存，其具体的传输过程是不需要用户参与的。
３程序设计
在本例中，软件包括以下几个部分：单片机中固件（ＦＩＲＭＷＡＲＥ）程序、计算机上的驱动程序和用户态的ＤＬＬ以及调用ＤＬＬ的范例程序。
１）固件程序设计
固件程序是被固化到单片机中，能够配置Ｄ１２与计算机实现ＵＳＢ通信的程序。固件程序完成的主要工作可以简化为：当Ｄ１２从ＵＳＢ总线上检测到主机启动的某一请求时，便通过中断方式将此请求传递给单片机，固件程序进行解析执行相应的操作，以完成与主机的对话。另外还执行用户通过计算机对接口卡的工作方式进行设置的操作。
２）设备驱动程序设计
设备驱动程序负责处理应用程序传下来的Ｉ／Ｏ请求（如读写设备、传递控制参数等），处理ＰｎＰ管理器发送给设备的ＰｎＰ请求（如设备启动请求ＩＲＰ＿ＭＮ＿ＳＴＡＲＴ＿ＤＥＶＩＣＥ，以及设备删除请求ＩＲＰ＿ＭＮ＿ＲＥＭＯＶＥ＿ＤＥＶＩＣＥ等），这样就可以使系统可支持设备的热插拔和即插即用功能。
开发ＵＳＢ设备驱动程序的常用工具有ＤＤＫ、ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ以及Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ公司的ＮｕｍｅｇａＤｒｉｖｅｒｓｔｕｄｉｏ等。在本设计中使用的是ＤＤＫ，因为ＤＤＫ不但提供了较为详细的帮助文档说明，而且还提供了较好的参考范例。
ＵＳＢ的驱动程序和以往直接控制硬件的Ｗｉｎ９５的ＶＸＤ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｄｒｉｖｅｒ）驱动程序不同，它属于ＷＤＭ（Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｄｉｖｅｒ Ｍｏｄｅｌ）类型的。ＷＤＭ采用分层驱动模型，对于ＵＳＢ设备来说，可分为ＵＳＢ总线驱动程序和ＵＳＢ设备驱动程序。总线驱动由操作系统提供，它位于设备驱动程序的下面，直接控制硬件操作，而设备驱动程序（除了ＨＩＤ类的设备外）需要开发者编写。在设备驱动程序中，通过向总线驱动程序发送包含ＵＲＢ（ＵＳＢ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｂｌｏｃｋ）的ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｐａｃｋｅｔ），来实现ＵＳＢ设备信息的发送和接收。在本例中，通过向总线驱动程序发送包含ＲＥＡＤＹ＿ＵＲＢ和ＲＥＡＤ＿ＵＲＢ两个ＵＲＢ的ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ，来实现数据的准备工作及数据的传输，并且还可以通过这两个ＵＲＢ向下传递多达１６条８ｂｉｔ的控制参数，便于用户传递控制指令。
３）用户态软件的设计
在用户态软件程序中，采用标准的文件操作方法。用ＡＰＩ函数ＣＲＥＡＴＦＩＬＥ来创建并打开设备，ＲＥＡＤＦＩＬＥ对应功能驱动程序中的ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ，来实现对设备的控制读写操作请求。在本例中包括两个部分：动态链接库和应用程序。动链接库负责接受应用程序的各种操作参数，与内核态的ＵＳＢ功能驱动程序通信，而应用程序负责对所读取数据的存储与处理。
动态链接库就是那些复杂的调用驱动程序的程序封装成几个函数，便于用户的使用。应用程序是使用此接口卡的程序范例，通过调用动态链接库的函数，实现对接口卡的控制及对用户板的数据读取，用户可以在范例的基础上，稍加修改就能够非常方便的控制接口卡与用户卡的通讯，包括选择通讯方式，向用户板传递控制参数，就可以实现把数据传到相应的内存中，然后再对数据进行处理。
４、小结
此接口卡可以使用户在没有掌握复杂的ＵＳＢ协议及抽象的驱动程序设计的前提下，能够很方便快速的应用ＵＳＢ总线与ＰＣ交换数据，
