基于I2C總線(xiàn)技術(shù)的USB接口設計

1前言
　　USB（Universal Serial Bus）通用串行總線(xiàn)是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家 公司聯(lián)合制訂的，但是直到1999年，USB才真正被廣泛應用。同時(shí)，他也得到了各PC廠(chǎng)商、芯片制造商和PC外設廠(chǎng)商的廣泛支持，USB外設在國內外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設已經(jīng)有數千種。為PC外圍設備設計USB接口已成為大勢所趨。
　　隨著(zhù)單片機技術(shù)的發(fā)展，單片機的功能日益強大，外圍電路日益復雜，其有限的管腳也就顯 得捉襟見(jiàn)肘。目前采用普通單片機外加USB接口芯片開(kāi)發(fā)USB外設時(shí)，USB接口器件大都是采 用并行接口與單片機相連接，這樣再加上一些控制信號線(xiàn)，總共需要占用單片機十余個(gè)管腳 ，對于一般對傳輸速度要求不是很高的設備顯得有些浪費，特別是對于為產(chǎn)品轉型而 進(jìn)行的USB接口開(kāi)發(fā)，勢必會(huì )影響原來(lái)的電路連接和功能設置。因此，采用一種既能保持較 高的傳輸速度，又能減少單片機引腳使用的USB接口開(kāi)發(fā)方法很有必要。本文介紹一種 采用Philips公司帶I2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11進(jìn)行USB接口開(kāi)發(fā)的方法，他使用高速通用I2C接口與單片機相連接。
2背景介紹
2.1USB背景介紹
　　USB是一些PC廠(chǎng)商為解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口間的矛盾制定的一種 串行通信標準。他傳輸速度快，能提供3種傳輸方式：低速模式(速率為1.5 Mb/s)；中速模 式(速率為12 Mb/s)；高速模式(速率為360 Mb/s以上)。數據傳輸可靠，USB設備在發(fā)送 數據時(shí)支持 數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。設備安裝和配置容易，安裝USB設備不必 再打開(kāi)機箱，增減設備不用關(guān)閉計算機，所有USB設備支持熱插拔，系統對他進(jìn)行自動(dòng)配置 。易于擴展，外設接口之間采用菊花鏈形式連接通過(guò)使用Hub擴展可連接多達127個(gè)外設。能 夠采用總線(xiàn)供電，USB總線(xiàn)提供最大達5 V電壓，500 mA電流，可為小型設備供電。使用靈活，USB共有4種傳輸模式：控制傳輸（control）、同步傳輸（synchronization）、中斷傳輸 （interrupt）、批量傳輸（bulk），以適應不同設備需要。
2.2I2C總線(xiàn)技術(shù)介紹
　　I2C總線(xiàn)技術(shù)是Philips公司研制出來(lái)的串行擴展技術(shù)。他是一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串 行總線(xiàn)，他只需要2根線(xiàn)（串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL和串行數據線(xiàn)SDA）即可在連接于總線(xiàn)上的器件之 間傳送信息。對于并不要求很高的數據傳輸速度的外設，I2C總線(xiàn)的使用無(wú)疑簡(jiǎn)化了系統 ，增加了硬件構成的靈活性，是一種高效、方便的串行擴展總線(xiàn)。
　　使用I2C傳輸數據有2種基本方法。第一種是采用I2C總線(xiàn)標準的單片機或IC器件，其內 部含有I2C接口電路，使用這種方法可直接從接口讀寫(xiě)數據。第二種是采用軟件程序模擬I2C總線(xiàn)的時(shí)序來(lái)完成接口功能，使用這種方法可任意從單片機中選取2個(gè)I/O口，作為串 行時(shí)鐘線(xiàn)SCL和串行數據線(xiàn)SDA，使用靈活。
3PDIUSBD11芯片介紹
3.1PDIUSBD11芯片特點(diǎn)
　　PDIUSBD11 是一款性?xún)r(jià)比很高的USB 器件，他通常用作微控制器系統中實(shí)現與微控制器進(jìn)行 通 信的高速通用I2C接口。這種實(shí)現USB 接口的標準組件使得設計者可以在各種不同類(lèi)型微 控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活性減小了開(kāi)發(fā)的時(shí)間風(fēng)險以及費用，通過(guò)使用 已 有的結構減少固件上的投資。從而用最快捷的方法實(shí)現最經(jīng)濟的USB 外設的解決方案。PD IUSBD11適用于電腦監視器、操縱桿、鍵盤(pán)和其他一些使用I2C或SMBUS結構的器件 。PDIUSBD11符合USB 11協(xié)議規范、I2C串行接口和SMBUS協(xié)議規范。他完全符合人機接 口設備和監視控制類(lèi)協(xié)議規范。PDIUSBD11所具有的低掛起功耗連同LazyClock 輸出可以滿(mǎn) 足使用ACPI，OnNOW 和USB 電源管理的要求。低的操作功耗可以執行總線(xiàn)供電功能。此外他 還集成了許多特性包括SoftConnetTM，GoodLinkTM，可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振、多重功能 終端和終止寄存器集合。所有這些特性都為系統顯著(zhù)節約了成本，同時(shí)使USB 功能在外設上 的應用變得容易。
3.2PDIUSBD11內部結構
　　PDIUSBD11芯片的內部結構如圖1所示。

　　模擬收發(fā)器收發(fā)器接口可通過(guò)終端電阻直接與USB電纜相連，他們能以全速（12 Mb/s）傳送和接收數據。
　　PLL片內集成了12~48 M時(shí)鐘乘法器PLL。這樣就可使用低成本的12 M晶振 ，EMI也隨之降低。PLL的工作不需要外部元件。
　　Philips串行接口引擎PSIEPhilips SIE實(shí)現了全部的USB協(xié)議層。完全由 硬件實(shí)現而不需要固件的參與。該模塊的功能包括：同步模式的識別、并行/串行轉換、位 填充/解除填充、CRC校驗/產(chǎn)生、PID校驗/產(chǎn)生、地址識別和握手評估/產(chǎn)生。
　　存儲器管理單元MMU和集成RAM當USB接口以12 Mb/s的速率傳輸并且I2C接口以1 Mb/s與微控制器相連時(shí)，MMU和集成RAM被用來(lái)處理這種極大的速率差異。這就允許 微控制器以他自己的速率通過(guò)I2C接口對USB信息包進(jìn)行讀寫(xiě)。
　　I2C控制接口這個(gè)模塊執行必要的I2C接口協(xié)議。一個(gè)I2C控制器執行簡(jiǎn)單的編碼。一個(gè)中斷信號，當PDIUSBD11需引起注意時(shí)，用來(lái)向微控制器發(fā)出 警告。作為一個(gè)控制I2C的器件，PDIUSBD11的時(shí)鐘輸入SCL由微控制器控制。I2C接口的 傳輸速率能夠達到1 Mb/s。
　　SoftConnectTM與USB的連接是通過(guò)1.5 kΩ上拉電阻將D+（用于 高速USB器件）置為高實(shí)現的。1.5 kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內，默認狀態(tài)下不與VC C相連。連接的建立通過(guò)外部/系統微控制器發(fā)送命令來(lái)實(shí)現。這就允許系統微控制器在決定 與USB建立連接之前完成初始化時(shí)序。USB總線(xiàn)連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。
3.3PDIUSBD11芯片的典型應用
　　PDIUSBD11芯片的應用示意圖如圖2所示。

　　其外圍電路典型連接如圖3所示。
　　VBUS是USB的總線(xiàn)電源感知引腳，通過(guò)他USB接口控制芯片判斷USB設備是否接到了P C機上。外部復位引腳Reset上電復位，但PDIUSBD11芯片內部提供復位電路，因此可以將他 接到3.3V上，屏蔽其外部復位功能。Suspend引腳，他的作用是當USB設備進(jìn)入掛起模式時(shí)，輸出 高電平提醒主機，主機可通過(guò)拉低該引腳的電壓來(lái)喚醒USB設備，使用中也可以直接將該引 腳接地，來(lái)屏蔽USB設備的掛起功能。INT_N引腳與單片機的連接是必不可少的，當 主機需 要與USB設備通信時(shí)，該引腳變成低電平，通知USB設備進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷請求結束后 他又重新變回高電平。因此他通過(guò)上拉電阻接正電源，當空閑時(shí)處于高電平狀態(tài)。
4固件程序設計
　　單片機與PDIUSBD11的通信主要是靠單片機給PDIUSBD11發(fā)命令和數據來(lái)實(shí)現的。 PDI USBD11的命令字分為3種：初始化命令字、數據流命令字 和通用命令字。PDIUSBD11給出了各種命 令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD11的命令地址發(fā)命令，根據不同命令的要求再 發(fā)送或讀出不同的數據。
　　當單片機使用專(zhuān)門(mén)的I2C接口與PDIUSBD11芯片連接時(shí)，可以直接進(jìn)行輸入、輸出通信。但 如果只使用2個(gè)普通的I/O口連接時(shí)，需要用軟件模擬I2C接口與PDIUSBD11芯片進(jìn)行通信 ，可將模擬I2C傳輸部分編成子程序，使用時(shí)直接調用即可。具體編程方法可參照I2C總 線(xiàn)規范。
　　USB單片機控制程序通常由3部分組成：
　　(1) 初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD11芯片）；
　　(2) 主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；
　　(3) 中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時(shí)間敏感的，必須馬上執行。
4.1初始化程序
　　在編寫(xiě)初始化程序時(shí)需要注意，由于PDIUSBD11芯片采用Philips的SoftConnectTM技術(shù)設計。與USB的連接通過(guò)1.5 kΩ上拉電阻將D+（用于高速USB器件）置為高實(shí)現。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過(guò) 單片機發(fā)送命令來(lái)實(shí)現。這就允許系統微控制器在決定與建立USB連接之前完成初始化時(shí)序 。USB總線(xiàn)連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。所以在固件程序中需要編寫(xiě)芯片初始化 程序，以確保設備能順利進(jìn)行USB連接。初始化程序范例如下：
　　
　　
　　
　　按不同的應用方式（如遠程喚醒、掛起功能等），可在Set Mode的第一個(gè)字為PDIUS BD11芯片設置不同的模式。
4.2中斷服務(wù)程序
　　根據USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機（host）開(kāi)始的，單片機作他的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就給單片 機發(fā)中斷，單片機檢測到INT_N引腳變成低電平后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD11的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類(lèi)型，然后執行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就 是中斷 服務(wù)程序的編寫(xiě)。中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。PDIUSBD11芯片可支持4個(gè)端點(diǎn)（EP0~3），其中端點(diǎn)0用來(lái)對應缺省控制通道并初始化和操縱配置設備，同時(shí)提供設備配置信息的 讀取和支持控制傳輸。端點(diǎn)1~3則用于支持塊傳輸和中斷傳輸等。

　　具體的固件程序內容可參考文獻［4］，PDIUSBD12芯片是Philips公司的一款帶并口的USB接口芯片，目前應用較廣。
4.3測試結果
　　用PDIUSBD11芯片開(kāi)發(fā)的USB接口，數據的傳輸速率是由單片機的I2C接口速率決定的。經(jīng)測試其傳輸速率可達500 kb/s，遠高于普通串口的傳輸速率，保持了USB接口的高速性，能滿(mǎn)足一般的非大容量存儲設備的需要。
5結語(yǔ)
　　使用單片機外加USB接口芯片開(kāi)發(fā)USB接口，適用于為現有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)USB接口，能盡量避免對 原有電路及程序的修改，降低了開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險。在對速度要求不太高的情況下，可采用Ph ilips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，他特有的I2C接口設計可以減少與單片機的引腳連接 ，簡(jiǎn)化外圍電路設計。雖然只有2根數據線(xiàn)負責數據的雙向傳輸，但仍保證了較高的傳輸速 率，能滿(mǎn)足一般的對速度要求不太高的設備的需要。