摘要: 本文给出了一种基于USB 1.1 总线协议的嵌入式数据传输系统的设计与实现方案。
采用Philips 公司的USB 专用芯片PDIUSBD12 与微控制器LPC2210 构成USB 设备，在
μC/OS-II 操作系统上实现该设备的USB 通信协议。在PC 主机上完成了基于WINDOWS 驱
动程序模型(WDM)的USB 主机驱动程序和应用软件的设计，实现了设备与PC 主机的通信。
经测试，该USB 数据传输系统具有速度快、即插即用、热插拔和低功耗等特点。
关键词：数据传输; USB接口; PDIUSBD12; WDM

随着信息技术的迅速发展，数据采集和处理技术广泛应用于科学研究的各个领域。早期
的计算机系统上通常使用串口或并口来发送数据，每个接口都需要占用计算机内部很多的资
源，传统的接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线有较高的传输速率，可达
132Mbit/s，也可以即插即用，但是它们的扩充槽有限且插拔不方便；RS-232串行总线连接
比较方便，但是传输速率太慢，不易用于高速传送数据和传送大量数据。
通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)集中了PCI和RS-232串行总线的优点，具有方
便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率。因此，将USB技术应用于数据采集可以实
现数据采集系统的高速度处理。现在的PC机几乎都配备了USB接口，Microsoft的Windows
以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。作为一种通用的串
行标准，USB接口势必将扩大很多技术的应用范围。如果在小体积、低功耗、低成本的嵌入
式平台中实现USB技术，嵌入式设备将会有更大的应用空间。而嵌入式设备的实时、小巧等
特性使得USB的协议栈和总线驱动的开发设计显得尤为重要，因为它的好坏会直接对USB主
机产生影响，从而会对嵌入式系统性能产生较大影响[1]。本设计利用Philips公司生产的USB
专用芯片PDIUSBD12(以下简称D12)与微控制器LPC2210构成USB设备，在μC/OS-II操作系
统上实现该USB设备与PC机通信的USB协议，实现数据传输功能。
1 USB 接口硬件设计
1.1 系统接口芯片的选择
USB 接口控制器是USB 系统的关键，很多半导体生产公司参与了USB 芯片的开发，
形成了多种产品系列。本设计选用了性价比较高的Philips 公司的USB 专用芯片D12，它符
合USB1.1 版规范。此芯片是带有并行总线的全速USB 接口器件，可与任何微控制器实现高速并行接口(2Mb/s)，并可用于许多外设。D12 集成了SIE、FIFO 存储器、收发器及电压
调整器；可通过SoftConnectTM 技术软件控制与USB 的连接；采用GoodLink 技术的连接指
示器，在通讯时使LED 闪烁等[2]。
1.2 D12 接口电路
如图1所示，D12的硬件接口和外部存储器的接口很相似，因此，可以把它当作一片外
部RAM芯片来进行访问。对于LPC2210微控制器，它的外部数据总线与地址总线是分开的。
这时，D12的DATA0~DATA7与LPC2210的数据总线的D0~D7直接相连就可以构成访问D12
的数据总线了。D12的AD0连接到LPC2210的A0，当LPC2210在A0引脚输出1时，表示输出
到D12数据总线D0~D7上的数据为命令字，当A0引脚输出0时，表示输出到D12数据总线
D0~D7的数据为数据字。D12使用LPC2210外部存储控制的Bank2部分，其数据地址为
0x82000000(偶数地址)，命令地址为 0x82000001(奇数地址) [3]。

其中，C1、C2 和X1 为D12 提供工作所需的时钟输入，为了保证D12 的工作时钟正常，
C1 和C2 必须分别为68pF 和22pF；D+/D-线上应串接18  的匹配电阻[3]。输出（GL-N）
接LED 对其状态进行监控，这个LED 在USB 被连接时会发光，在进行数据传输时会闪烁，
LED 常亮或一直不亮则说明USB 接口出现问题。
USB 设备通过4 条电缆接入主机或USB Hub，这4 条电缆分别是：Vcc（总线电源），
GND（地线），D+和D-数据线。主机通过D+和D-上的电压变化来检测设备的状态变化，
当没有设备连接到USB 端口时，D+和D-线上的下拉电阻就将两条数据线拉到近地，当检测
到任一条数据线电压接近Vcc，而其他保持近地电压，那么主机就知道该设备已准备好了[4]。
2 USB 系统软件设计
USB系统软件结构的特点是分层化和模块化，如图2所示。协议接口以上的程序运行在
PC上位机上，最下面的设备控制器程序运行在基于μC/OS-II操作系统上的嵌入式平台即下位
机上[4]。
2.1 下位机软件设计
USB设备端的程序采用ADS1.2编写，为了使软件可移植性强、易维护，采用分层的方
法编写D12的驱动程序。根据USB1.1协议、D12硬件接线和μC/OS-Ⅱ的结构，采用中断服务
程序处理实时性强的异步事件，体系框架如图3所示。具体工作原理是，当CPU处理前台任
务时，USB的传输可在后台进行，当D12从USB收到一个数据包，就对CPU产生一个中断请
求，CPU立即响应中断。在中断服务程序中，将数据包从D12内部缓冲区移到循环数据缓冲
区，并清空D12内部数据缓冲区，以使能接收新的数据包。CPU可继续当前的任务直到完成，
然后检查循环数据缓冲区是否有新数据[5]。

(1)主循环层检查事件标志，再调用对应的处理函数做进一步处理；
(2)中断服务程序处理由D12产生的中断，它检索从D12内部FIFO存储器发给MCU存储器
的数据，然后设立适当的事件标志以通知主循环程序进行处理；
(3)协议层处理USB1.1协议的标准设备请求；
(4)功能层包括实现外设功能的子程序；
(5)D12硬件提取层是底层电路直接通信的物理模块，可以完成硬件访问D12相关I/O口的
功能；
(6)系统硬件提取层包含外设的底层代码，用于完成硬件的初始化，MCU对I/O口的访问
等。
2.2 上位机软件设计
上位机软件主要包含USB 客户应用程序，USB 客户驱动程序和USB 主控制器驱动程
序。
2.2.1 USB 客户应用程序
USB 客户应用程序负责与设备使用者的交互，包括接收用户的命令，向USB 客户驱动
程序发送命令，以及获取返回的数据等。USB 客户应用程序的设计在Visual C++ 6.0 开发环
境下进行。主要功能包括检测USB 设备、开启/关闭USB 设备、获取设备信息集、设置数
据传输端口、显示实时传输的数据，程序流程图如图4 所示。
2.2.2 USB 客户驱动程序
USB 客户驱动程序接收USB 客户应用程序的命令，把读/写命令变成规范的USB 请求
包传给下一层驱动程序。客户驱动程序要解析设备的各种描述符，掌握设备的性质和功能，
制订与其功能相适应的软件结构和算法，为上层应用程序提供API 接口。
该USB 驱动程序采用WDM(Windows Driver Mode)驱动程序模型设计，提供USB 的底
层驱动和驱动程序接口USBDI。USB 客户驱动程序是由多个模块构成，每个模块相互独立，负责专门的事务。USB 客户驱动程序主要包括初始化、即插即用和设备I/O 控制三个模块[4]。
2.2.3 USB 主控制器驱动程序
USB 主控制器驱动程序属底层驱动程序，负责对主控制器进行操作，完成最底层的数
据通信工作。USB 主控制器驱动程序直接或间接地接收客户驱动程序发送来的USB 请求包，
完成底层通信协议的操作。USB 主控制器驱动程序由操作系统提供[4]。

3 系统调试
采用100Hz的采样频率对信号发生器产生的三角波进行采集传输测试，结果如图5所示。
说明此系统可以正确的识别USB设备，并有效完成数据传输任务。

4 结束语
本设计中使用USB1.1作为接口部分，具有传输速度快、即插即用和热插拔等优点。应
用程序充分利用VC的MFC框架比较丰富的资源进行数据采集和控制，具有界面友好、功能
丰富等特点。经实际测试证明，本系统设计合理，使用方便，数据传输稳定可靠。本文创新
点：设计和实现了基于ARM微处理器LPC2210的嵌入式USB接口,通过对LPC2210芯片组成
的嵌入式USB的具体实践, 证明了硬件设计和软件测试方案的可行性。
参考文献
[1]马军,李玉林.基于PDIUSBD12的USB接口设计[J].微计算机信息.2006,22(7-2),285-287.
[2]Philips PDIUSBD12 Product data Rev. 08-20[Z],2001.
[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[4]胡晓军,张爱成.USB接口开发技术[M]，西安:西安电子科技大学出版社,2005.


[5]颉瑞昌,张根保,朱福益,王戈.基于PDIUSBD12的通用Fireware结构及设计[J]. 计算机应用研究.2005.9.
[附]
作者简介：范晓青（1986－），女，山东平邑人，硕士，四川大学制造学院，专业：生物医学工程；
Biography:FAN Xiao-qing (1986-),female(Han),Shandong Province Pingyi County,Master, studying in School of
manifesting science and engineering of Sichuan University. Major: medical information and instrument.