深圳电路板克隆单片机和PDIUSBD12的指纹自动识别系统USB接口设计

    在指纹自动识别系统中，嵌入式系统由于功耗低、设备体积小、安全性高等优点，已经得到越来越广泛的应用。通用串行总线（USB）是由Inter、Microsoft、IBM和NEC等共同制定的微机总线接口规范，具有较高的传输速率（USB 1.1支持最高传输速度为12Mb/s，而USB 2.0的传输速度最高可达到480Mb/s），支持即插即用，占用系统资源少，扩展能力强。
    在嵌入式系统的应用中，几乎不可避免与PC机的通信，由于通信速度的要求以及计算机硬件高速发展，传统的RS232接口已经越来越不能满足用户的需求，所以在嵌入式系统中USB接口的实现势在必行。本文介绍一种基于单片机和USB服务芯片PDIUSBD12的USB接口设计。该接口应用在嵌入式指纹识别系统中，用于嵌入式系统与计算机之间进行用户指纹数据库的上传和下载。详细介绍了USB接口的硬件设计和固件程序的实现。
    1 嵌入式指纹自动识别系统
    本文所介绍的嵌入式指纹自动识别系统采用DSP与单片机协同工作，pcb抄板以实现指纹自动识别以及用户服务系统。其中单片机选用Philps公司的P89C52，DSP处理器选用TI公司的TMS320C5416。单片机具有系统控制能力强、结构简单、扩展方便等特点，适合作为系统的控制核心；而DSP采用的增强型哈佛结构、多级流水线、多处理单元以及特殊的指令（乘加指令等），使得DSP具有强大的数据处理能力，并且TMS320C5416支持最高160MHz的时钟频率，基于其强大数据处理能力和高运行速度，所以将它作为系统的算法核心处理器。
    由单片机为核心的控制模块主要完成用户服务系统和系统通信接口，由DSP为协处理器的算法模块完成指纹采集和处理。用户通过键盘输入控制整个系统的工作流程，通过LCD了解系统的工作状态及处理结果。DSP由其HPI（主机接口）与单片机以中断方式进行通信。而整个系统通过USB接口与上位PC机之间进行通信。其结构如图1。
    系统新用户注册时，通过键盘输入注册ID，然后系统由DSP控制指纹传感器采集用户指纹数据。如果采集到有效指纹，经过DSP进行指纹处理得到指纹模板数据。系统将该指纹模板存入系统数据库中。如果需要，也可以通过USB接口将用户信息和对应模板都上传至PC机中备份。
    当嵌入式系统数据丢失时，可以通过USB接口将PC机里所存备份下载至系统中。下面着重介绍系统的控制模块和USB接口的设计。
    2 系统控制模块设计
    系统控制模块的核心处理器为P89C52，由于其接口有限，同时完成系统控制和USB接口控制将十分困难。而从系统成本、开发时间周期和继承性方面考虑，换用其他处理器也不太方便，所以必须考虑在此处理器的基础上完成多项任务。由指纹自动识别系统的特点来看，系统在完成指纹录入或登录后才需要利用USB接口完成指纹模板和登录信息的传输，所以对于处理器来说，USB控制和系统控制可以采用时分复用的方式进行。
    由此，利用一个电平转换芯片和一个8总线收发器来控制数据的选通及流向，以保证系统能够正常工作。具体实现如图2。
    SN74ALVC164245为5V～3.3V电平转换芯片，负责控制单片机与DSP之间的数据流向以及电平转换。因为单片机的IO电平为5V，而DSP的IO电平为3.3V，所以必须进行电平转换。另外，SN74ALVC164245的OE和DIR脚联合控制数据的流向，当OE为高时，芯片两边的数据互相独立；当OE为低时，通过DIR的状态来控制数据的流向。74HC245为总线传输器，用来控制单片机同LCD控制芯片KS0108的数据通信，其工作原理与SN74ALVC164245类似，只是没有电平转换功能。
    同样，USB服务芯片通过SUSPEND管脚来使能数据线，将SUSPEND脚置高电平时，整个PDIUSBD12处于休眠状态。由此，单片机就可以通过控制引脚的状态来控制数据总线，以实现单片机数据总线的时分复用。
    3 系统USB接口设计
    3.1 USB接口硬件设计
    USB接口硬件主要以接口芯片PDIUSBD12为中心，设计它与USB物理接口以及微控制器之间的连接。接口模块通过跳线选择供电方式，可同时支持USB总线供电方式和外设供电方式，为全速USB设备接口。设计过程中充分考虑到可靠性、可测性以及电磁兼容性。其接口电路如图3所示。
    接口电路供电通过拨盘开关K1选择，当K1接MVCC时，系统为自供电方式；当K1接UVSB时，为总线供电方式。当系统处于自供电方式情况下，系统通过EOT_N引脚来检测VUSB是否存在，并接上一个1M?赘的放电电阻来减弱充电，以确保当VUSB移开时EOT_N变为低，并且此时自供电电源与USB总线之间只能共地，同时设备不能通过USB口向VBNS输出电流。在单片机与PDIUSBD12的控制通信方面，单片机通过对PDIUSBD12的A0脚的状态控制来指示并行数据总线P0上传输内容为命令还是数据。此时，PDIUSBD12上用于数据地址总线复用的ALE引脚一直接地。