連結USB閃存盤(pán)與PIC微控制器的簡(jiǎn)單方案
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背景簡(jiǎn)介
今日USB裝置幾乎無(wú)所不在，市面上充斥著(zhù)各式各樣的USB閃存盤(pán)和各種USB外圍裝置，由于這些裝置大多是屬于USBSlave，應用領(lǐng)域也就局限在PC市場(chǎng)。近來(lái)USB閃存盤(pán)的價(jià)格快速滑落，刺激出新的應用，如何在原有產(chǎn)品上使用USB閃存盤(pán)成為許多公司的難點(diǎn)。想要在8與16位微控制器中增加USBHost的功能，設計過(guò)程、成本與功耗便成為了重要的考量因素。部份原因源自于這類(lèi)系統使用的嵌入式控制器，目前尚缺乏適合的接口、資源、以及效率來(lái)連結USBHost控制器。
在此應用范例中，將以VinculumVNC1L智能型USBHost橋接器IC做為一個(gè)例子，說(shuō)明如何為系統控制器PIC16F688增加一個(gè)USB2.0全速連結埠。使這個(gè)系統能連結USB閃存盤(pán)，并能在耗用最少的設計時(shí)間與資源下完成設計。
VNC1L簡(jiǎn)介
VNC1L為Vinculum家族的第一顆芯片。此智能型USBHost橋接器采用客制化的處理器，并搭配兩個(gè)加速數據傳輸的直接內存存取(DMA)引擎及一個(gè)32位數值協(xié)同處理器，以達到最高的文件操作效率－且全部整合于一內置64Kbyteflash、以及4Kbyte內部數據SRAM的單一芯片中。Vinculum家族鎖定嵌入式USB控制器市場(chǎng)，這類(lèi)產(chǎn)品僅需少量外部支持組件。Vinculum家族核心的主要特點(diǎn)之一，就是其程序代碼長(cháng)度明顯短于一般微控制器實(shí)現該功能代碼的長(cháng)度，而降低核心程序代碼的資源后，將可使更多功能能得以收納至芯片內部的e-Flash內存中。VNC1L可處理整個(gè)USB協(xié)議并內建12MHz到48MHz的時(shí)鐘。這些特性恰巧與PIC嵌入式系統形成互補。圖1為此系統之架構說(shuō)明，其利用VNC1L連結一個(gè)小型PIC16F688微控制器及USBType“A”連結器，進(jìn)而可連接USB閃存盤(pán)。
設計說(shuō)明
此PIC16F688為系統控制器，由其通用I/O引腳(9、10、11引腳上的RC1、RC0、RA2)來(lái)取得傳感器或其它來(lái)源的數據，并轉換數據格式且將串流格式數據寫(xiě)入USB閃存盤(pán)的文件中，指令與數據系通過(guò)TXD(6號引腳)傳送至VNC1LRXD(32號引腳)。VNC1L可處理FAT12/16/32文件系統和儲存在USB閃存盤(pán)的數據。VNC1L通過(guò)28號針腳的USB2DP和29號針腳的USB2DM與USB閃存盤(pán)進(jìn)行通訊。通過(guò)相同的引腳，數據能從USB閃存盤(pán)存取，并從VNC1LTXD(31號引腳)傳送到PIC的RXD(5號引腳)，以供PIC程序使用。
PIC16F688上的程序控制整個(gè)系統，此外，由PIC16F688發(fā)出的指令控制其與VNC1L之間的傳輸作業(yè)。VNC1L的標準程序會(huì )解讀并執行來(lái)自PIC16F688的指令。以上只是系統的簡(jiǎn)單介紹，若欲完成整個(gè)設計還需要更多的資源，而這些組件尚須電源、控制時(shí)鐘的石英晶體以及程序設計。
運用PIC中第2與第3針腳的20MHz晶體，讓UART接口能達到比115200bit/s更高的的波特率（baudrate），相對于使用內部8MHz振蕩器最高僅能達到9600bit/s，因此其能提升系統效率。PIC程序把RC2與RC3I/O引腳模擬成RTS/CTS來(lái)與VNC1L的UART接口連接。
此時(shí)，系統需要5伏特/250mA的額定電源，其中對于USB“A”連結器提供200mA電流，并為VNC1L提供25mA電流，另25mA電流則用以供電PIC16F688。VNC1L所要求的3.3伏電壓由3.3vLDO穩壓器供應，其中尚有兼容5伏的IO口，能使其連接至PIC，而不需電位切換器。
針對低功耗應用，VNC1L在不使用時(shí)能切換至2mA休眠模式。如欲喚醒該組件，則可通過(guò)UART接口的響鈴偵測(RI)引腳(38號引腳)達成；若其已連接至RXD線(xiàn)路，如圖中所示，則可通過(guò)接續的偽指令來(lái)喚醒該組件。
此設計同樣包含一個(gè)雙色狀態(tài)LED指示燈，其由16與18號引腳供電。當成功登錄USB閃存盤(pán)及存取文件系統時(shí)，系統便將提出顯示。
VNC1L程序
VNC1L內部固化有標準的程序，名為VDAP(VinculumDiskandPeripheral)，該程序能解讀從PIC傳來(lái)的指令。這些指令類(lèi)似DOS指令，如DIR、RD、以及WR等等。指令集亦支持單一字節的hex指令，更適合由微處理器進(jìn)行控制。
而收錄于PIC程序中的VDAP指令可用來(lái)控制USB閃存盤(pán)的存取作業(yè)。典型的指令順序為建立文件、讀/寫(xiě)數據至文件，之后關(guān)閉文件。
VNC1L與PIC程序開(kāi)發(fā)
此設計含有兩個(gè)燒錄程序的接頭，各個(gè)接頭分別支持器件所需要的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在產(chǎn)品設計環(huán)境中，每個(gè)器件可在焊上印刷電路板前被預先燒錄，因此不需接頭與jumpers。
在正常運作模式中，J1與J2應接上，其它jumpers應為開(kāi)路狀態(tài)。VNC1L在燒錄時(shí)需移除J1與J2的jumpers，以隔離VNC1LUART的輸入端和PIC輸出端。之后先切斷5伏特電源，然后將TTL-232R-3V3線(xiàn)連結至H2。通過(guò)已安裝的VPROG程序工具，把線(xiàn)路的USB端連結到PC，之后接上J4jumper，將VNCL1A的PROG#引角拉低，讓J3暫時(shí)短路以重設器件，并切換至燒錄模式。完成燒錄后，并請將jumpers設定回復至運作模式。
PIC的燒錄接頭需連結至器件的RA0、RA1、以及MCLR#引腳，5伏特燒錄電壓/電源則通過(guò)接頭傳送至組件。待切斷5伏特電源后，再對PIC微控制器進(jìn)行燒錄。接頭應連結至如PICKit2等標準PIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，以便利用Microchip的除錯與下載工具。
FTDI在網(wǎng)站上(http://www.vinculum.com/projects/SampleCsource.zip)提供了一個(gè)PIC的范例程序。在這個(gè)C范例程序中，PIC將等待USB閃存盤(pán)被偵測出，然后開(kāi)啟一個(gè)名為hello.txt的檔案?！癏elloWorld”字符串以及換行指令碼和linefeed字符將被寫(xiě)入文件，待關(guān)閉文件后，USB閃存盤(pán)便可移除。
結論
FTDI的VinculumVNC1L是一個(gè)容易使用、容易設計的智能型USBHost橋接器，使得低成本微控制器可輕易地增加USB2.0低/全速的USB接口。在電源方面，VinculumVNC1L僅在USB接口增加少于10%的消耗。類(lèi)似DOS的指令集，讓傳輸的數據能在微控制器環(huán)境中輕易進(jìn)行編寫(xiě)與除錯，伴隨著(zhù)簡(jiǎn)易的硬件周邊則大大地減輕工程師的負擔，為嵌入式系統提供一個(gè)USB主控端設計方案不再是件艱難的工作。這使得低成本、高普及率的USB閃存盤(pán)能作為系統的儲存媒體，并能提供現場(chǎng)升級軟件之功能。在本文討論范圍外，值得附帶一提的是，除了高容量?jì)Υ嫜b置以外，VNC1L還能用來(lái)連結許多其它USB外圍裝置。
VDAP程序及描述完整指令集之文件，請由FTDI的Vinculum網(wǎng)站下載(http://www.vinculum.com).
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