基于I2C总线的USB接口设计
摘 要:当速度要求不太高时采用带I2C总线的USB接口控制芯片开发U SB接口,可以减少对单片机的引脚使用,简化连接电路。本文介绍了Philips公司的一款带I2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11,以及他的外围电路连接和固件程序的设计方法。
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家 公司联合制订的,但是直到1999年,USB才真正被广泛应用。同时,他也得到了各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持,USB外设在国内外以惊人的速度发展,迄今为止,各种USB的外设已经有数千种。为PC外围设备设计USB接口已成为大势所趋。 随着单片机技术的发展,单片机的功能日益强大,外围电路日益复杂,其有限的管脚也就显 得捉襟见肘。目前采用普通单片机外加USB接口芯片开发USB外设时,USB接口器件大都是采 用并行接口与单片机相连接,这样再加上一些控制信号线,总共需要占用单片机十余个管脚 ,对于一般对传输速度要求不是很高的设备显得有些浪费,特别是对于为产品转型而 进行的USB接口开发,势必会影响原来的电路连接和功能设置。因此,采用一种既能保持较 高的传输速度,又能减少单片机引脚使用的USB接口开发方法很有必要。本文介绍一种 采用Philips公司带I2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11进行USB接口开发的方法,他使用高速通用I2C接口与单片机相连接。 2.1 USB背景介绍 USB是一些PC厂商为解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口间的矛盾制定的一种 串行通信标准。他传输速度快,能提供3种传输方式:低速模式(速率为1.5 Mb/s);中速模 式(速率为12 Mb/s);高速模式(速率为360 Mb/s以上)。数据传输可靠,USB设备在发送 数据时支持 数据侦错和纠错功能,增强了数据传输的可靠性。设备安装和配置容易,安装USB设备不必 再打开机箱,增减设备不用关闭计算机,所有USB设备支持热插拔,系统对他进行自动配置 。易于扩展,外设接口之间采用菊花链形式连接通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。能 够采用总线供电,USB总线提供最大达5 V电压,500 mA电流,可为小型设备供电。使用灵活,USB共有4种传输模式:控制传输(control)、同步传输(synchronization)、中断传输 (interrupt)、批量传输(bulk),以适应不同设备需要。 2.2 I2C总线技术介绍 I2C总线技术是Philips公司研制出来的串行扩展技术。他是一种简单、双向二线制同步串 行总线,他只需要2根线(串行时钟线SCL和串行数据线SDA)即可在连接于总线上的器件之 间传送信息。对于并不要求很高的数据传输速度的外设,I2C总线的使用无疑简化了系统 ,增加了硬件构成的灵活性,是一种高效、方便的串行扩展总线。 使用I2C传输数据有2种基本方法。第一种是采用I2C总线标准的单片机或IC器件,其内 部含有I2C接口电路,使用这种方法可直接从接口读写数据。第二种是采用软件程序模拟I2C总线的时序来完成接口功能,使用这种方法可任意从单片机中选取2个I/O口,作为串 行时钟线SCL和串行数据线SDA,使用灵活。 3.1 PDIUSBD11芯片特点 PDIUSBD11 是一款性价比很高的USB 器件,他通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行 通 信的高速通用I2C接口。这种实现USB 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微 控制器中选择出最合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用,通过使用 已 有的结构减少固件上的投资。从而用最快捷的方法实现最经济的USB 外设的解决方案。PD IUSBD11适用于电脑监视器、操纵杆、键盘和其他一些使用I2C或SMBUS结构的器件 。PDIUSBD11符合USB 11协议规范、I2C串行接口和SMBUS协议规范。他完全符合人机接 口设备和监视控制类协议规范。PDIUSBD11所具有的低挂起功耗连同LazyClock 输出可以满 足使用ACPI,OnNOW 和USB 电源管理的要求。低的操作功耗可以执行总线供电功能。此外他 还集成了许多特性包括SoftConnetTM,GoodLinkTM,可编程时钟输出、低频晶振、多重功能 终端和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统显著节约了成本,同时使USB 功能在外设上 的应用变得容易。 3.2 PDIUSBD11内部结构 PDIUSBD11芯片的内部结构如图1所示。 3.3 PDIUSBD11芯片的典型应用 PDIUSBD11芯片的应用示意图如图2所示。 单片机与PDIUSBD11的通信主要是靠单片机给PDIUSBD11发命令和数据来实现的。 PDI USBD11的命令字分为3种:初始化命令字、数据流命令字 和通用命令字。PDIUSBD11给出了各种命 令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD11的命令地址发命令,根据不同命令的要求再 发送或读出不同的数据。 在编写初始化程序时需要注意,由于PDIUSBD11芯片采用Philips的SoftConnectTM技术设计。与USB的连接通过1.5 kΩ上拉电阻将D+(用于高速USB器件)置为高实现。1.5kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD11片内,默认状态下不与VCC相连。连接的建立通过 单片机发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决定与建立USB连接之前完成初始化时序 。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。所以在固件程序中需要编写芯片初始化 程序,以确保设备能顺利进行USB连接。初始化程序范例如下: 4.2 中断服务程序 根据USB协议,任何传输都是由主机(host)开始的,单片机作他的前台工作,等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备(这里是PDIUSBD11),PDIUSBD11接收到令牌包后就给单片 机发中断,单片机检测到INT_N引脚变成低电平后进入中断服务程序,首先读PDIUSBD11的中断寄存器,判断USB令牌包的类型,然后执行相应的操作。因此,USB单片机程序主要就 是中断 服务程序的编写。中断服务程序流程图如图4所示。PDIUSBD11芯片可支持4个端点(EP0~3),其中端点0用来对应缺省控制通道并初始化和操纵配置设备,同时提供设备配置信息的 读取和支持控制传输。端点1~3则用于支持块传输和中断传输等。 4.3 测试结果 用PDIUSBD11芯片开发的USB接口,数据的传输速率是由单片机的I2C接口速率决定的。经测试其传输速率可达500 kb/s,远高于普通串口的传输速率,保持了USB接口的高速性,能满足一般的非大容量存储设备的需要。 使用单片机外加USB接口芯片开发USB接口,适用于为现有产品开发USB接口,能尽量避免对 原有电路及程序的修改,降低了开发成本和风险。在对速度要求不太高的情况下,可采用Ph ilips公司的USB接口芯片PDIUSBD11,他特有的I2C接口设计可以减少与单片机的引脚连接 ,简化外围电路设计。虽然只有2根数据线负责数据的双向传输,但仍保证了较高的传输速 率,能满足一般的对速度要求不太高的设备的需要。 参考文献 |
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