USB接口芯片的原理及應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的使用已經(jīng)非常普遍，因此在一些需要轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的設(shè)備、儀器上使用USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備接口的芯片便相繼產(chǎn)生了，CH375就是其中之一，它是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。

在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB主機(jī)方式下，CH375還提供了串行通信方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU等相連接。CH375的USB主機(jī)方式支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)/DSP/MCU可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。

CH375芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CH375芯片內(nèi)部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。CH375芯片引腳排列如圖1所示。

圖 1 CH375芯片引腳排列

2 內(nèi)部物理端點(diǎn)

CH375芯片內(nèi)部具有7個(gè)物理端點(diǎn)。端點(diǎn)0是默認(rèn)端點(diǎn)，支持上傳和下傳，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8B；端點(diǎn)1包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn)，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8B，上傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是81H，下傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是01H；端點(diǎn)2包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn)，上傳和下傳緩沖區(qū)各是64B，上傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是82H，下傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是02H。

主機(jī)端點(diǎn)包括輸出端點(diǎn)和輸入端點(diǎn)，輸出和輸入緩沖區(qū)各是64B，主機(jī)端點(diǎn)與端點(diǎn)2合用同一組緩沖區(qū)，主機(jī)端點(diǎn)的輸出緩沖區(qū)就是端點(diǎn)2的上傳緩沖區(qū)，主機(jī)端點(diǎn)的輸入緩沖區(qū)就是端點(diǎn)2的下傳緩沖區(qū)。

其中，CH375的端點(diǎn)0、端點(diǎn)1、端點(diǎn)2只用于USB設(shè)備方式，在USB主機(jī)方式下只需要用到主機(jī)端點(diǎn)。

軟件接口

對(duì)于USB存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用，CH375直接提供了數(shù)據(jù)塊的讀寫接口，以512b的物理扇區(qū)為基本讀寫單位，從而將USB存儲(chǔ)設(shè)備簡(jiǎn)化為一種外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，單片機(jī)可以自由讀寫USB存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)，也可以自由定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

CH375以C語(yǔ)言子程序庫(kù)提供了USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口，這些應(yīng)用層接口API包含了常用的文件級(jí)操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機(jī)程序中。

CH375的U盤文件級(jí)子程序庫(kù)具有以下特性：支持常用的FAT12、FAT16 和FAT32 文件系統(tǒng)，磁盤容量可達(dá)100GB以上，支持多級(jí)子目錄，支持8.3格式的大寫字母文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。

CH375的文件級(jí)接口API子程序需要大約600b的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 作為緩沖區(qū)。所有API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。有關(guān)API參數(shù)的說明請(qǐng)參考CH375數(shù)據(jù)手冊(cè)。 CH375在單片機(jī)讀寫U盤中的電路原理圖

圖2給出了MCS-51單片機(jī)讀寫U盤的電路原理圖，如果CH375芯片的TXD引腳懸空或者沒有通過下接電阻接地，那么CH375工作于串口方式。在串口方式下，CH375只需要與單片機(jī)/DSP/MCU連接3個(gè)信號(hào)線，TXD引腳、RXD引腳以及INT#引腳，其他引腳都可以懸空。除了連接線較少之外，其他外圍電路與并口方式基本相同。由于INT#引腳和TXD 引腳在CH375復(fù)位期間只能提供微弱的高電平輸出電流，在進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的連接時(shí)，為了避免INT#或者TXD在CH375復(fù)位期間受到干擾而導(dǎo)致單片機(jī)誤操作，可以在INT#引腳或者TXD引腳上加阻值為1～5kΩ的上拉電阻，以維持較穩(wěn)定的高電平。在CH375芯片復(fù)位完成后，INT#引腳和TXD引腳將能夠提供5mA的高電平輸出電流或者5mA的低電平吸入電流。

圖2 MCS-51單片機(jī)讀寫U盤的電路原理圖

單片機(jī)讀寫U盤的接口

由于CH375內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，所以嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)可以通過CH375將U盤（USB閃存盤、USB外置硬盤）作為可移動(dòng)的大容量存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)讀寫只需要幾條指令，而不需要詳細(xì)了解USB通信協(xié)議。

如果嵌入式系統(tǒng)需要將USB存儲(chǔ)設(shè)備組織為文件系統(tǒng)，那么可以直接調(diào)用CH375文件級(jí)子程序庫(kù)提供的接口API，由子程序庫(kù)處理文件系統(tǒng)。

CH375主機(jī)USB-HOST的電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

某些USB設(shè)備帶電插入時(shí)常出現(xiàn)如下問題：

● CH375復(fù)位或者單片機(jī)復(fù)位（尤其是采用uP 監(jiān)控電路的單片機(jī)系統(tǒng)）。

● CH375或者單片機(jī)突然工作不正常，失去控制。

● CH375芯片的工作電流突然增大并且持續(xù)如此，時(shí)間長(zhǎng)了芯片發(fā)熱燙手。

出現(xiàn)上述問題時(shí)可參考如下解決方法：

● 給USB插座單獨(dú)供電，這樣，即使USB設(shè)備剛插上時(shí)存在電容充電過程，也不會(huì)影響單片機(jī)和CH375。變通方法是，將5V主電源分別通過兩個(gè)獨(dú)立的限流電感后（或者在PCB中電源線分開走），一組提供給CH375和單片機(jī)等，另一組提供給USB插座。

● 在USB插座前串接限流電阻或者電感，并在USB插座電源上并聯(lián)儲(chǔ)能用的電解電容。如果用電感也可以限制電流突變，防止電源電壓突降，但是用電感在USB設(shè)備拔出后，容易在USB插座中產(chǎn)生過沖高壓，所以必須接儲(chǔ)能電容。（注意，在第一版CH375評(píng)估板的原理圖中已經(jīng)標(biāo)出USB插座的限流電阻R1為1Ω，建議將其換為阻值5Ω的電阻或者保險(xiǎn)電阻）

● 其他臨時(shí)的解決方法（不推薦）：①在USB設(shè)備與USB插座之間加入U(xiǎn)SB延長(zhǎng)線。②在主電源上并聯(lián)較大的儲(chǔ)能電容，在U盤剛插入時(shí)提供足夠的瞬時(shí)電能，減少對(duì)電源電壓的影響。

● 參考目前計(jì)算機(jī)端的解決方法：USB端口的電源供給是通過保險(xiǎn)電阻或者限流電感提供的，這些能夠限制瞬時(shí)電流。對(duì)于計(jì)算機(jī)前面板的USB端口，由于本身通過一段較長(zhǎng)的連接導(dǎo)線，自然減弱了對(duì)主電源的影響，而且計(jì)算機(jī)的5V電源功率很大，連續(xù)供電電流都在20A以上，所以不易受影響。