基于I2C總線技術的USB接口設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于I2C總線技術的USB接口設計-設計應用1、前言USB（UniversalSerialBus）通用串行總線是在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，他也得到了各PC廠商、芯片制造商和PC外設廠商的廣泛支持，USB外設在國內(nèi)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(shù)千種。為PC外圍設備設計USB接口已成為大勢所趨。隨著單片機技術的發(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肘。目前采用普通單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB外設時，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，總共需要占用單片機十余個管腳，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)品轉型而進行的USB接口開發(fā)，勢必會影響原來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進行USB接口開發(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1.5Mb/s)；中速模式(速率為12Mb/s)；高速模式(速率為360Mb/s以上)。數(shù)據(jù)傳輸可靠，USB設備在發(fā)送數(shù)據(jù)時支持數(shù)據(jù)偵錯和糾錯功能，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ＴO備安裝和配置容易，安裝USB設備不必再打開機箱，增減設備不用關閉計算機，所有USB設備支持熱插拔，系統(tǒng)對他進行自動配置。易于擴展，外設接口之間采用菊花鏈形式連接通過使用Hub擴展可連接多達127個外設。能夠采用總線供電，USB總線提供達5V電壓，500mA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總線技術介紹I2C總線技術是Philips公司研制出來的串行擴展技術。他是一種簡單、雙向二線制同步串行總線，他只需要2根線（串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。對于并不要求很高的數(shù)據(jù)傳輸速度的外設，I2C總線的使用無疑簡化了系統(tǒng)，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。使用I2C傳輸數(shù)據(jù)有2種基本方法。種是采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內(nèi)部含有I2C接口電路，使用這種方法可直接從接口讀寫數(shù)據(jù)。第二種是采用軟件程序模擬I2C總線的時序來完成接口功能，使用這種方法可任意從單片機中選取2個I/O口，作為串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA，使用靈活。3PDIUSBD11芯片介紹3.1PDIUSBD11芯片特點PDIUSBD11是一款性價比很高的USB器件，他通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進行通信的高速通用I2C接口。這種實現(xiàn)USB接口的標準組件使得設計者可以在各種不同類型微控制器中選擇出合適的微控制器。這種靈活性減小了開發(fā)的時間風險以及費用，通過使用已有的結構減少固件上的投資。從而用快捷的方法實現(xiàn)經(jīng)濟的USB外設的解決方案。PDIUSBD11適用于電腦監(jiān)視器、操縱桿、鍵盤和其他一些使用I2C或SMBUS結構的器件。PDIUSBD11符合USB11協(xié)議規(guī)范、I2C串行接口和SMBUS協(xié)議規(guī)范。他完全符合人機接口設備和監(jiān)視控制類協(xié)議規(guī)范。PDIUSBD11所具有的低掛起功耗連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPI，OnNOW和USB電源管理的要求。低的操作功耗可以執(zhí)行總線供電功能。此外他還集成了許多特性包括SoftConnetTM，GoodLinkTM，可編程時鐘輸出、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(tǒng)顯著節(jié)約了成本，同時使USB功能在外設上的應用變得容易。3.2PDIUSBD11內(nèi)部結構PDIUSBD11芯片的內(nèi)部結構如圖1所示。

模擬收發(fā)器收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與USB電纜相連，他們能以全速（12Mb/s）傳送和接收數(shù)據(jù)。PLL片內(nèi)集成了12~48M時鐘乘法器PLL。這樣就可使用低成本的12M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PSIEPhilipsSIE實現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層。完全由硬件實現(xiàn)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12Mb/s的速率傳輸并且I2C接口以1Mb/s與微控制器相連時，MMU和集成RAM被用來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I2C接口對USB信息包進行讀寫。I2C控制接口這個模塊執(zhí)行必要的I2C接口協(xié)議。一個I2C控制器執(zhí)行簡單的編碼。一個中斷信號，當PDIUSBD11需引起注意時，用來向微控制器發(fā)出警告。作為一個控制I2C的器件，PDIUSBD11的時鐘輸入SCL由微控制器控制。I2C接口的傳輸速率能夠達到1Mb/s。SoftConnectTM與USB的連接是通過1.5kΩ上拉電阻將D+（用于高速USB器件）置為高實現(xiàn)的。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內(nèi)，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過外部/系統(tǒng)微控制器發(fā)送命令來實現(xiàn)。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與USB建立連接之前完成初始化時序。USB總線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的總線電源感知引腳，通過他USB接口控制芯片判斷USB設備是否接到了PC機上。外部復位引腳Reset上電復位，但PDIUSBD11芯片內(nèi)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設備進入掛起模式時，輸出高電平提醒主機，主機可通過拉低該引腳的電壓來喚醒USB設備，使用中也可以直接將該引腳接地，來屏蔽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，該引腳變成低電平，通知USB設備進入中斷服務程序，中斷請求結束后他又重新變回高電平。因此他通過上拉電阻接正電源，當空閑時處于高電平狀態(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(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。PDIUSBD11的命令字分為3種：初始化命令字、數(shù)據(jù)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(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。當單片機使用專門的I2C接口與PDIUSBD11芯片連接時，可以直接進行輸入、輸出通信。但如果只使用2個普通的I/O口連接時，需要用軟件模擬I2C接口與PDIUSBD11芯片進行通信，可將模擬I2C傳輸部分編成子程序，使用時直接調(diào)用即可。具體編程方法可參照I2C總線規(guī)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，其任務是可以中斷的；(3)中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。4.1初始化程序設計在編寫初始化程序時需要注意，由于PDIUSBD11芯片采用Philips的SoftConnectTM技術設計。與USB的連接通過1.5kΩ上拉電阻將D+（用于高速USB器件）置為高實現(xiàn)。1.5kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內(nèi)，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過單片機發(fā)送命令來實現(xiàn)。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與建立USB連接之前完成初始化時序。USB總線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芯片初始化程序，以確保設備能順利進行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SetMode的個字為PDIUSBD11芯片設置不同的模式。4.2中斷服務程序根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機（host）開始的，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入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD11的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就是中斷服務程序的編寫。中斷服務程序流程圖如圖4所示。PDIUSBD11芯片可支持4個端點（EP0~3），其中端點0用來對應缺省控制通道并初始化和操縱配置設備，同時提供設備配置信息的讀取和支持控制傳輸。端點1~3則用于支持塊傳輸和中斷傳輸?shù)取?/p>

具體的固件程序內(nèi)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。用PDIUSBD11芯片開發(fā)的USB接口，數(shù)據(jù)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500kb/s，遠高于普通串口的傳輸速率，保持了USB接口的高速性，能滿足一般的非大容量存儲設備的需要。5結語使用單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB接口，適用于為現(xiàn)有產(chǎn)品開發(fā)USB接口，能盡量避免對原有電路及程序的修改，降低了開發(fā)成本和風險。在對速度要求不太高的情況下，可采用Philips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，簡化外圍電路設計。雖然只有2根數(shù)據(jù)線負責數(shù)據(jù)的雙向傳輸，但仍保證了較高的傳輸速率，能滿足一般的對速度要求不太高的設備的需要。參考文獻[1]PDIUSBD11DataSheet[S].

[2]USBSpecificationV11[S].

[3]I2C總線規(guī)范[S].

[4]周立功。P