原创 Paper | USB设备开发：从入门到实践指南（四）

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）。

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：

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。

1.1 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

1.2 测试串口

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tty、usb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!

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P20到P27口连接到了LED1-LED8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P20到P27端口，大小为1byte。

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：

TR0寄存器属于TCON寄存器的比特位，功能描述如下图所示：

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：

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：

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);
}

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. 当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：

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：

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!\r\n");
  // 获取芯片ID 
  idv = D12ReadID();
  // 输出芯片ID
  UartSendString("Get PDIUSBD12 ID: ");
  UartSendShortToHex(idv);
  UartSendString("\r\n");
    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：

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

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