基于C8051F020單片機系統(tǒng)的USB擴展

1           前言

USB（Universal Serial Bus,通用串行總線）作為PC史上最成功的接口之一，它不僅成為PC的標準接口，而且發(fā)展成為消費類電子、移動設(shè)備的標準接口。它具有安裝方便、高速、靈活、低成本、易擴展，支持熱插拔等優(yōu)點,已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸主要接口標準。

C8051F020是高集成的單片機系統(tǒng)，它集成了模／數(shù)控制器，外部存儲器，和串行通訊接口，但是沒有集成USB控制器；USBN9604是遵循USB1.1標準的USB端點控制器，如果把兩者集合到一起，把C8051F020的高速數(shù)據(jù)采集和USB的接口的優(yōu)點集合起來，將大大提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)傳輸效率。

2           芯片特點

2.1          C8051F020微控制器[1]

C8051F020系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM

指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件，包括5個16 位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART、256 字節(jié)內(nèi)部RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8/4個字節(jié)寬的I/O 端口。

    C8051F020系列MCU對CIP-51內(nèi)核和外設(shè)有幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。

2.2          USB控制器USBN9604[2]

USBN9604是National Semiconductor公司設(shè)計生產(chǎn)的一款較新型的專用USB通信控制芯片，它支持12Mbps全速傳輸，4種傳輸方式和總線供電方式，可滿足USB1.0和1.1協(xié)議。它具有8位并行接口，可支持DMA、MICRWIRE／PLUS接口，能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備規(guī)范的設(shè)計，可以廣泛應(yīng)用于很多外圍設(shè)備。芯片提供了3種訪問外部數(shù)據(jù)的方式：非復(fù)用并行方式、復(fù)用并行方式和MICRWIRE方式。其主要特點如下：

1)        外部24MHZ晶振，因為芯片內(nèi)部有倍頻電路，因而內(nèi)部可得到48MH時鐘。

2)        可編程時鐘發(fā)生器能產(chǎn)生不同頻率的時鐘，可以作為外部器件(如CPU)提供的時鐘信號。

3)        帶有串行引擎接口(SEI)，包含物理層接口和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議，支持USB1.0和USB1.1協(xié)議。

4)        帶有7個端點的USB功能控制器，每個端點對應(yīng)一個FIFO。其中端點0是雙向控制端點，另有3個發(fā)送端點和3個接收端點。除端點0外其余端點緩存區(qū)都是64字節(jié)。

USBN9604內(nèi)部有64個映射到內(nèi)存的寄存器，主要有主控制寄存器(MCTL)、時鐘配置寄存器(CCONF)、主事件寄存器(MAEV)、ALT事件寄存器(ALTEV)、接收事件寄存器（RXEV）和發(fā)送事件寄存器 (TXEV)以及各端點的控制寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)及狀態(tài)寄存器等。固件的大部分功能就是完成對此寄存器組的讀寫，實現(xiàn)對接口的配置、接口狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)在外設(shè)和計算機之間的傳輸?shù)取?/p>

3           USB接口的擴展

C8051F020專門提供了豐富的I/O端口，它可以提供8個8位的數(shù)字接口，其中P0、P1、P2、P3為低端口，它既可以按位尋址，也可以按字節(jié)尋址，C8051F020豐富的數(shù)字資源（UART、SMBUS、SPI、PCA、定時器）均要通過交叉開關(guān)配置到4個低端口才能使用。P4、P5、P6、P7為高端口，它只能按字節(jié)尋址，C8051F020雖工作電壓為2.7-3.6V，但其I/O端口均與TTL電平兼容。對于外部擴展存儲器和存儲器映射的I/O設(shè)備可采用總線復(fù)用模式和非復(fù)用模式擴展。

USBN9604與微控制器的并行連接有兩種方式：即非復(fù)用方式和復(fù)用方式。它們可通過設(shè)置引腳MODE0、MODE1來選擇。當(dāng)MODE0和MODE1連接低電平時USBN9604采用非復(fù)用模式；當(dāng)MODE0接高電平，MODE1接低電平時采用復(fù)用方式。在非復(fù)用方式時，可用控制引腳CS、RD、WR、地址引腳A0和雙向數(shù)據(jù)線D[7：0]實現(xiàn)相應(yīng)的地址讀寫。而在復(fù)用方式時，則使用控制引腳CS、RD、WR、地址鎖存信號ALE和雙向數(shù)線D[7：0]實現(xiàn)其地址讀寫。

本設(shè)計采用總線復(fù)用方式進行數(shù)據(jù)交換。圖1所示是C8051F020單片機和USBN9604的接口電路，該電路由一片C8051F020單片機、USB控制芯片USBN9604、時鐘振蕩電路以及相應(yīng)的外圍電路組成。其中USBN96O4通過外部中斷INT與單片機進行通信。

圖1為低端口復(fù)用總線擴展實例。數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線共享相同的端口引腳：AD[7:0]，地址鎖存信號ALE連接到USBN9604的A0引腳，用于控制USBN9604內(nèi)部地址鎖存寄存器，保持低8位地址。通過交叉開關(guān)的特殊寄存器將數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)總線定義到相應(yīng)的端口。當(dāng)我們在選用總線復(fù)用模式，用低端口作為擴展外部數(shù)據(jù)存儲器總線時需要做以下工作：

1)        用外部存儲器接口（EMIF）設(shè)置寄存器EMIOCF選擇端口：EMIOCF.5置0，將P3、P2、P1、P0選用外部擴展總線。

2)        選擇復(fù)用方式：將EMIOCF.4置0，定義復(fù)用方式。定義P3.7-P3.0為數(shù)據(jù)總線D7-D0和低8位復(fù)用地址總線A7-A0，P2.7-P2.0定義為高8位地址總線A15-A8，P0.7定義為寫控制（WR），P0.6定義為讀控制（RD），P0.5定義為ALE。

圖1 C8051F020單片機和USBN9604接口電路示意圖

3)        選擇存儲器模式：用EMIOCF.3-2，選擇EMIF的工作模式，當(dāng)EMIOCF.3-2為01時外部存儲器接口工作在不帶塊選擇的分片方式，在這種模式下尋址低于4K 邊界的地址時訪問片內(nèi)存儲器，尋址高于4K 邊界的地址時訪問片外存儲器，也就是說該設(shè)備的寄存器地址范圍是0X1000-0X10FF。

4)        設(shè)置外設(shè)接口時序：外設(shè)讀寫時序通過EM0TC特殊寄存器設(shè)置，EM0TC.7-6設(shè)置EMIF地址建立時間，EM0TC.5-2設(shè)置EMIF的WR和RD脈沖寬度，EM0TC.1-0設(shè)置EMIF地址保持時間。

所以通過上面步驟我們設(shè)置EMIF的相關(guān)特殊寄存器為以下值：

    EMI0CF  = 0x07;    //使用低端口，復(fù)用方式以不帶片選方式工作

EMI0TC  =0x21;    //地址建立時間為0，RD／WR持續(xù)時間為9個系統(tǒng)時鐘周期，地址保持時間為1個系統(tǒng)周期。

在設(shè)置EMIF之后，我們讀取USBN9604的寄存器就像讀取普通外部數(shù)據(jù)存儲器一樣。我們可以這樣編寫對USBN9604讀取的函數(shù)：

#define USBN9604 (byte xdata *)(0x1000)

extern void write_usb(byte adr,byte dta)

{

  *(USBN9604 +adr)= dta;

}

byte read_usb(byte adr)

{

  return  *(USBN9604+adr);

}

4           設(shè)備固件(firmware)設(shè)計

USB接口的程序包括三個基本的部分：①初始化，這部分程序用來對單片機C8051F020、USB控制芯片USBN9604和所有外圍電路進行初始化；②主循環(huán)，發(fā)送USB請求、處理USB總線事件和用戶事件處理；③中斷服務(wù)程序，對USBN9604產(chǎn)生的中斷進行處理。

初始化程序中對USBN9604的初始化包括：①進行軟件復(fù)位，它不影響時鐘輸出，相當(dāng)于一個硬件復(fù)位；②設(shè)置中斷方式，確定中斷輸出是高電平有效還是低電平有效；③設(shè)置缺省地址，這是由于USB規(guī)范規(guī)定設(shè)備在總線為其分配地址之間要以0作為缺省地址；④設(shè)置中斷屏蔽，在USBN9604中各個端點的發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送NAK握手包等事件可能產(chǎn)生中斷；設(shè)置中斷屏蔽這個步驟確定了哪一個端點的哪一種事件能夠產(chǎn)生中斷。

設(shè)備固件是設(shè)備運行的核心，其主要功能是控制芯片USB9604接受并處理USB驅(qū)動程序的請求（如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等供10種USB1.1標準請求）。描述符包括設(shè)備描述符和配置描述符，USB規(guī)范給出了它們的格式，想要計算機正確識別設(shè)備并安裝驅(qū)動程序，這些描述符必須根據(jù)具體設(shè)備的情況填寫。如果這些設(shè)置正確，這時該已經(jīng)成為一個USB設(shè)備，能夠被計算機正確識別。由于Windows XP自帶了多種USB驅(qū)動程序，所以現(xiàn)在一般不用開發(fā)USB驅(qū)動程序，用其自帶的USB驅(qū)動程序即可正確和PC進行通訊，用戶只需開發(fā)應(yīng)用軟件即可。

5           結(jié)論

基于USB外設(shè)的應(yīng)用目前在國內(nèi)處于高速發(fā)展階段，利用USB進行數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制已得到成功應(yīng)用，雖然隨著USB協(xié)議2.0，特別是無線USB協(xié)議的推出，USB總線發(fā)生了巨大的變化，但是基于USB1.1協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中仍占主導(dǎo)地位。該方案經(jīng)實驗證明正確有效，能夠應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有重要的應(yīng)用價值。