基于I2C總線技術(shù)的USB接口設(shè)計

1前言
　　USB（Universal Serial Bus）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(yīng)用。同時，他也得到了各PC廠商、芯片制造商和PC外設(shè)廠商的廣泛支持，USB外設(shè)在國內(nèi)外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設(shè)已經(jīng)有數(shù)千種。為PC外圍設(shè)備設(shè)計USB接口已成為大勢所趨。
　　隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能日益強大，外圍電路日益復(fù)雜，其有限的管腳也就顯 得捉襟見肘。目前采用普通單片機(jī)外加USB接口芯片開發(fā)USB外設(shè)時，USB接口器件大都是采 用并行接口與單片機(jī)相連接，這樣再加上一些控制信號線，總共需要占用單片機(jī)十余個管腳 ，對于一般對傳輸速度要求不是很高的設(shè)備顯得有些浪費，特別是對于為產(chǎn)品轉(zhuǎn)型而 進(jìn)行的USB接口開發(fā)，勢必會影響原來的電路連接和功能設(shè)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(jī)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(jìn)行USB接口開發(fā)的方法，他使用高速通用I2C接口與單片機(jī)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(shù)據(jù)傳輸可靠，USB設(shè)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?。設(shè)備安裝和配置容易，安裝USB設(shè)備不必 再打開機(jī)箱，增減設(shè)備不用關(guān)閉計算機(jī)，所有USB設(shè)備支持熱插拔，系統(tǒng)對他進(jìn)行自動配置 。易于擴(kuò)展，外設(shè)接口之間采用菊花鏈形式連接通過使用Hub擴(kuò)展可連接多達(dá)127個外設(shè)。能 夠采用總線供電，USB總線提供最大達(dá)5 V電壓，500 mA電流，可為小型設(shè)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(yīng)不同設(shè)備需要。
2.2I2C總線技術(shù)介紹
　　I2C總線技術(shù)是Philips公司研制出來的串行擴(kuò)展技術(shù)。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(shè)，I2C總線的使用無疑簡化了系統(tǒng) ，增加了硬件構(gòu)成的靈活性，是一種高效、方便的串行擴(kuò)展總線。
　　使用I2C傳輸數(shù)據(jù)有2種基本方法。第一種是采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)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(jī)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(jìn)行 通 信的高速通用I2C接口。這種實現(xiàn)USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計者可以在各種不同類型微 控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活性減小了開發(fā)的時間風(fēng)險以及費用，通過使用 已 有的結(jié)構(gòu)減少固件上的投資。從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB 外設(shè)的解決方案。PD IUSBD11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(jié)構(gòu)的器件 。PDIUSBD11符合USB 11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(jī)接 口設(shè)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(shè)上 的應(yīng)用變得容易。
3.2PDIUSBD11內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　PDIUSBD11芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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（12 Mb/s）傳送和接收數(shù)據(jù)。
　　PLL片內(nèi)集成了12~48 M時鐘乘法器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(zhuǎn)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(dāng)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，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(jìn)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(dāng)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(dá)到1 Mb/s。
　　SoftConnectTM與USB的連接是通過1.5 kΩ上拉電阻將D+（用于 高速USB器件）置為高實現(xiàn)的。1.5 kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內(nèi)，默認(rèn)狀態(tài)下不與VC C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(yīng)用
　　PDIUSBD11芯片的應(yīng)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(shè)備是否接到了P C機(jī)上。外部復(fù)位引腳Reset上電復(fù)位，但PDIUSBD11芯片內(nèi)部提供復(fù)位電路，因此可以將他 接到3.3V上，屏蔽其外部復(fù)位功能。Suspend引腳，他的作用是當(dāng)USB設(shè)備進(jìn)入掛起模式時，輸出 高電平提醒主機(jī)，主機(jī)可通過拉低該引腳的電壓來喚醒USB設(shè)備，使用中也可以直接將該引 腳接地，來屏蔽USB設(shè)備的掛起功能。INT_N引腳與單片機(jī)的連接是必不可少的，當(dāng) 主機(jī)需 要與USB設(shè)備通信時，該引腳變成低電平，通知USB設(shè)備進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷請求結(jié)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(dāng)空閑時處于高電平狀態(tài)。
4固件程序設(shè)計
　　單片機(jī)與PDIUSBD11的通信主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD11發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。 PDI USBD11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(jī)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(dāng)單片機(jī)使用專門的I2C接口與PDIUSBD11芯片連接時，可以直接進(jìn)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(jìn)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(jī)控制程序通常由3部分組成：
　　(1) 初始化單片機(jī)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)是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。
4.1初始化程序
　　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(shù)設(shè)計。與USB的連接通過1.5 kΩ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(rèn)狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過 單片機(jī)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(shè)備能順利進(jìn)行USB連接。初始化程序范例如下：
　　
　　
　　
　　按不同的應(yīng)用方式（如遠(yuǎn)程喚醒、掛起功能等），可在Set Mode的第一個字為PDIUS BD11芯片設(shè)置不同的模式。
4.2中斷服務(wù)程序
　　根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機(jī)（host）開始的，單片機(jī)作他的前臺工作，等待中斷。主機(jī)首先要發(fā)令牌包給USB設(shè)備（這里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就給單片 機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)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令牌包的類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，USB單片機(jī)程序主要就 是中斷 服務(wù)程序的編寫。中斷服務(wù)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(yīng)缺省控制通道并初始化和操縱配置設(shè)備，同時提供設(shè)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?br />
　　具體的固件程序內(nèi)容可參考文獻(xiàn)［4］，PDIUSBD12芯片是Philips公司的一款帶并口的USB接口芯片，目前應(yīng)用較廣。
4.3測試結(jié)果
　　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(jī)的I2C接口速率決定的。經(jīng)測試其傳輸速率可達(dá)500 kb/s，遠(yuǎn)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(shè)備的需要。
5結(jié)語
　　使用單片機(jī)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(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(shè)計可以減少與單片機(jī)的引腳連接 ，簡化外圍電路設(shè)計。雖然只有2根數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)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(shè)備的需要。