輕松駕馭嵌入式USB設(shè)計(jì)--USB完全解決方案全新登場(chǎng)

USB接口在生活中隨處可見(jiàn)，其主要優(yōu)點(diǎn)有通信速度快、可靠性高、支持熱插撥以及低成本。

此外由于易于使用，并可以取代電腦上的RS232接口，微軟和英特爾電腦系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求所有PC上必須有兩個(gè)以上可以直接使用的USB接口，可見(jiàn)USB的使用越來(lái)越廣泛。

USB協(xié)議

USB全稱為通用串行總線，HOST為主機(jī)，是通過(guò)總線發(fā)起所有傳輸?shù)南到y(tǒng)；Device是與主機(jī)進(jìn)行通信并且接收來(lái)自主機(jī)信息的外設(shè)設(shè)備；Hub是集線器，用來(lái)擴(kuò)展USB主機(jī)接口，提供連接點(diǎn)和電源的設(shè)計(jì)；Pipe是管道，是邏輯上的抽象概念，指的是設(shè)備端上的端點(diǎn)和主機(jī)軟件之間建立的虛擬的連接通道；ENDPOINT指的是設(shè)備端用作USB的數(shù)據(jù)和發(fā)送的存儲(chǔ)器緩沖，包括IN端點(diǎn)和OUT端點(diǎn)。IN是USB主機(jī)讀入讀取數(shù)據(jù)的端點(diǎn)，OUT是USB主機(jī)寫入數(shù)據(jù)的端點(diǎn)。Silicon Labs單片機(jī)上端點(diǎn)是用片上XRAM的FIFO實(shí)現(xiàn)的。在USB的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個(gè)USB的系統(tǒng)有且只有一個(gè)HOST，負(fù)責(zé)管理整個(gè)USB系統(tǒng)，HOST端有一個(gè)ROOT HUB，可以提供一個(gè)或多個(gè)USB下行端口，每個(gè)端口都可以通過(guò)USB Hub進(jìn)行擴(kuò)展，從而連接多個(gè)USB設(shè)備，最多可以擴(kuò)展到127個(gè)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

USB的傳輸指的是完成通信請(qǐng)求的過(guò)程；會(huì)話是到一個(gè)端點(diǎn)的發(fā)求過(guò)程；包即信息塊；幀是建立在低速和全速總線上的1ms的時(shí)間單位。傳輸被劃分為多個(gè)會(huì)話，而會(huì)話由包組成，USB主機(jī)通過(guò)將會(huì)話分配到幀進(jìn)行傳輸，一個(gè)傳輸可以有多個(gè)幀。枚舉是一個(gè)識(shí)別和指派一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地址的行為，枚舉過(guò)程使USB設(shè)備具有被熱插拔的能力，USB主機(jī)一直檢查總線上是否有新的設(shè)備接入，直到有一個(gè)USB設(shè)備被完全枚舉完成，USB主機(jī)才開(kāi)始與USB設(shè)備進(jìn)行通信。因此USB主機(jī)可以枚舉USB設(shè)備并與USB外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，管理USB總線，為USB設(shè)備提供電源，如一個(gè)全功耗主機(jī)給每個(gè)USB外設(shè)提供最大到500mA的電流，一些低功耗的USB主機(jī)只能給低功耗的USB外設(shè)提供最大到100mA的電流，除此之外USB外設(shè)也可以自己供電。而USB設(shè)備的作用是與USB主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，響應(yīng)USB主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，管理電源。

USB協(xié)議定義了四種傳輸類型：控制傳輸，塊傳輸，中斷傳輸和同步傳輸?？刂苽鬏斒请p向傳輸，通常數(shù)據(jù)量較小，其用途是傳送命令請(qǐng)求，讓USB主機(jī)識(shí)別和枚舉外設(shè)，以及傳送用戶定義的請(qǐng)求?？刂苽鬏?shù)膫鬏斔俣仁歉咚倌Ｊ綖?5.8MB/s，全速模式832KB/s，低速模式24KB/s，任何USB外設(shè)都必須支持控制傳輸；塊傳輸適用于大量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，但不保證數(shù)據(jù)速率和延遲，只支持高速和全速USB外設(shè)，其傳輸速度為高速模式53.2MB/s，全速模式1.2MB/s，通常應(yīng)用于打印機(jī)、掃描儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器等等會(huì)有大塊數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備；中斷傳輸主要用于定時(shí)查詢?cè)O(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)傳輸間隔的時(shí)間，高速模式為24.6MB/s，全速模式為64MB/s，低速模式為0.8KB/s，通常應(yīng)用在鍵盤、鼠標(biāo)、游戲手柄等傳輸要求數(shù)據(jù)量小但要定時(shí)傳輸?shù)膱?chǎng)合；同步傳輸是一種數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪Ｊ剑捎谶@種模式中沒(méi)有糾錯(cuò)環(huán)節(jié)，因此它可以保證傳輸速率和間隔時(shí)間但不保證數(shù)據(jù)的完整性，同步傳輸?shù)淖罡咚俣葹?4.6MB/s，全速模式為1MB/s。

USB主機(jī)通過(guò)獨(dú)特的標(biāo)識(shí)符識(shí)別USB外設(shè)，VID（Vendor ID）是USB聯(lián)盟給USB設(shè)備提供商分配的ID號(hào)，PID是USB設(shè)備提供商給自己產(chǎn)品分配的ID號(hào)，串行序列號(hào)是開(kāi)發(fā)商或制造商給每個(gè)USB產(chǎn)品分配的號(hào)碼，每個(gè)USB設(shè)備都有自己唯一的序列號(hào)。Silicon Labs公司唯一的VID是0x10C4，所有出廠產(chǎn)品都分配了一個(gè)PID，客戶可以根據(jù)自己的需求聯(lián)系Silicon Labs公司的相關(guān)人員為Silicon Labs的USB產(chǎn)品申請(qǐng)一個(gè)特別的PID。

USB定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備類別從而實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)平臺(tái)間的互操作性。HID主要應(yīng)用于鍵盤、鼠標(biāo)、熱量表、電壓表等；大量存儲(chǔ)主要用于可移動(dòng)或不可移動(dòng)的設(shè)備，如磁盤、硬盤、光盤以及U盤等；Audio主要應(yīng)用在揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、語(yǔ)音處理等；Communication Device Class主要是調(diào)制解調(diào)器、模擬或數(shù)字電話和以太網(wǎng)卡；Imaging的應(yīng)用有數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭；此外如IrDA、電源、打印機(jī)、SD卡等都有相應(yīng)的類別。

Silicon Labs公司的USB解決方案

目前Silicon Labs公司的USB產(chǎn)品已經(jīng)擴(kuò)充到十五款，并且可以為客戶提供相應(yīng)的五種開(kāi)發(fā)板，軟件支持包括虛擬串行通訊接口驅(qū)動(dòng)，USBXpress從傳輸類型的驅(qū)動(dòng)層到源代碼，常用類型的參考設(shè)計(jì)，以及第三方提供的工具等。圖2所示的為Silicon Labs公司的所有USB解決方案。圖中可以看到虛擬COM口很容易使用，不需要開(kāi)發(fā)固件和驅(qū)動(dòng)。同時(shí)Silicon Labs公司提供的驅(qū)動(dòng)支持Windows，蘋果和Linux等多個(gè)操作系統(tǒng)，并且通過(guò)了WHQL認(rèn)證。USBXpress可以為用戶提供簡(jiǎn)單靈活的開(kāi)發(fā)途徑，固件庫(kù)文件以及Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，還可以處理所有USB復(fù)雜協(xié)議，簡(jiǎn)化了設(shè)備端的固件和主機(jī)側(cè)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。

CP210X系列包括CP2101、CP2102、CP2103，都是固定功能的USB到UART轉(zhuǎn)接橋芯片，能為用戶提供最快最簡(jiǎn)單的從RS232升級(jí)到USB的方法。其它混合信號(hào)帶USB功能的MCU都是高速8051內(nèi)核，最快可達(dá)48M的指令運(yùn)行速度，全部都內(nèi)置高精度的振蕩器，不需要外加晶振，最高64K Flash的程序空間和5376Byte的RAM，17通道10位200Ksps的ADC，C86F340系列帶有外部數(shù)據(jù)總線接口，支持在系統(tǒng)仿真編程，芯片內(nèi)集成5V-3.3V的電壓解調(diào)器，因此芯片的有效供電電壓范圍為2.7-5.25V。

USBXpress簡(jiǎn)化了USB的設(shè)計(jì)，為USB設(shè)備端的固件和主機(jī)側(cè)的應(yīng)用軟件提供更高層的API，用戶無(wú)需掌握USB協(xié)議的主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)專門技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)USB的應(yīng)用，而且該應(yīng)用軟件完全免費(fèi)，并已取得Windows的設(shè)備驅(qū)動(dòng)認(rèn)證，支持Silicon Labs公司的所有產(chǎn)品。支持的操作系統(tǒng)有Windows98、Windows2000、WindowsXP，也支持其他操作系統(tǒng)。

Silicon Labs公司的十五款USB MCU產(chǎn)品適合全部的嵌入式應(yīng)用，高性能的混合信號(hào)USB2.0使這些MCU可以很好的滿足市場(chǎng)需求，而且全面的軟件和硬件開(kāi)發(fā)資源及參考設(shè)計(jì)加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

ToolStick開(kāi)發(fā)平臺(tái)

ToolStick開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Silicon Labs公司提供的一個(gè)低價(jià)位的MCU評(píng)估開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它可以使MCU所有的引腳都可以引出，不同的MCU做在不同的子卡上，子卡即Daughter卡，開(kāi)發(fā)不同的MCU即選擇不同的子卡。圖5所示的是一個(gè)完整的ToolStick工具，左邊的Base Adapter可以與任何Silicon Labs的MCU進(jìn)行通信，通過(guò)USB Debug接口和PC相連；右邊的是Daughter卡，是MCU產(chǎn)品開(kāi)發(fā)板，不同的MCU所用Daughter卡不同。Toolstick軟件和安裝方法可以在Silicon Labs公司的網(wǎng)站上找到，包括Silicon Labs的IDE，Keil公司2KB代碼的評(píng)估板，C語(yǔ)言編譯器，參考代碼以及應(yīng)用終端軟件等等。

Toolstick開(kāi)發(fā)平臺(tái)將一個(gè)完成的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括在USBStick里，可以幫助工程師在現(xiàn)場(chǎng)演示如何使用Silicon Labs公司MCU，如何編程仿真和下載程序，Toolstick平臺(tái)整個(gè)應(yīng)用方法如圖5所示，PC側(cè)IDE通過(guò)Base Adapter仿真調(diào)試功能對(duì)子卡上的單片機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，同時(shí)安裝在PC側(cè)的ToolStick終端軟件可以通過(guò)Base Adapter上單片機(jī)的UART口、GPIO口跟子卡上的單片機(jī)的UART口、GPIO口進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)的收發(fā)在這個(gè)軟件上都可以顯示出來(lái)。ToolStick插上PC以后，電源LED點(diǎn)亮，C8051F326執(zhí)行的是USB調(diào)試器和跟USB通信的功能，調(diào)試的時(shí)候程序的運(yùn)行和停止都會(huì)在Run，Stop LED顯示出來(lái)，SocketConnector是和子卡相連的接口。

圖6是C8051F330子卡的硬件圖。其中包括兩個(gè)LED，一個(gè)指示MCU的3.3V供電是否正常，另一個(gè)接在P1.39上給客戶作實(shí)驗(yàn)用；IDIC輸出側(cè)接電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器可以給ADC輸入0-3.3V之間的電壓。C8051F330所有的I/O口都可以引出的，更方便客戶的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。

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問(wèn)答選編
問(wèn)：為任何一個(gè)微控制器添加USB口，有沒(méi)有最簡(jiǎn)單的通 用方案？
答：最簡(jiǎn)單的方案就是，使用Silicon Labs公司的CP210x系 列產(chǎn)品，不需要做USB的軟件開(kāi)發(fā)，直接將UART口轉(zhuǎn) 變成USB接口。

問(wèn)：以往的USB實(shí)現(xiàn)，往往都是通過(guò)加一個(gè)芯片，一般都是 支持usb1.1，兼容usb2.0，請(qǐng)問(wèn)本產(chǎn)品的特點(diǎn)在哪里？
答：Silicon Labs公司的單片機(jī)將USB2.0的功能集成到單 片機(jī)上，使系統(tǒng)方案更加簡(jiǎn)潔、可靠。在手持設(shè)備上使用 的話，單芯片的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

問(wèn)：我們?cè)O(shè)計(jì)的智能設(shè)備用于電力系統(tǒng)，原設(shè)計(jì)是每相用一 個(gè)F310的UART接口，三相的三個(gè)接口通過(guò)串行總線 接口一個(gè)匯總的UART接口（第4個(gè)UART），通過(guò)第4 個(gè)接口對(duì)外部通信，請(qǐng)問(wèn)如果用F340等芯片的USB接 口可以嗎？有沒(méi)有更好的方案？
答：通過(guò)F340的USB接口可以完成跟外部通信的任務(wù)，另 外F340的2個(gè)UART口也可以完成2相的通信，還需 要軟件模擬一個(gè)UART口。

問(wèn)： C8051F34x MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，可以實(shí)時(shí)把轉(zhuǎn)換后 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C嗎? 有多長(zhǎng)的延遲時(shí)間呢？
答：可以。使用中斷，可以快很多。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，還得看你 F34X里的任務(wù)和軟件代碼，還有PC機(jī)側(cè)的響應(yīng)時(shí)間(中 斷、定時(shí)、輪詢、任務(wù)多少)。

問(wèn)：在應(yīng)用方面，協(xié)議中是不是要同時(shí)用到幾種傳輸模式？ 控制傳輸是不是必需用到的？
答：對(duì)，每種USB的傳輸模式中，都會(huì)有控制傳輸。其他的 傳輸類別，可以根據(jù)你的應(yīng)用來(lái)選擇。

問(wèn)：把傳統(tǒng)的USB主控移植到嵌入式裝置中，需要理清的 問(wèn)題是不是比較多？
答：不會(huì)，使用SILICON LABS的USB可以省掉很多麻煩。 在MCU或PC機(jī)側(cè)，我們都有USBEXPRESS、VCP等等 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持。實(shí)際上與USB接口有關(guān)的東西，你們 的應(yīng)用程序基本上是不會(huì)涉及的。

問(wèn)：采用USB方案實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的最高采集信號(hào)頻率 能到多少？應(yīng)該如何考慮系統(tǒng)的優(yōu)化和抗干擾問(wèn)題？
答：這個(gè)取決于需要通過(guò)USB傳輸有關(guān)信號(hào)的信息的頻 率。當(dāng)帶有USB中斷管道時(shí)，僅僅1ms發(fā)送一次請(qǐng)求， 這種情況需要考慮到MCU在多個(gè)周期內(nèi)取樣一次外部 信號(hào)。

我們的USB案例是基于降低端點(diǎn)1USB路徑花費(fèi)的時(shí) 間量而優(yōu)化的，對(duì)于其他MCU任務(wù)將會(huì)考慮最大時(shí)間量。

問(wèn)：兩個(gè)問(wèn)題，首先是調(diào)試時(shí)，有時(shí)需要將JTAG或兩線接口 和目標(biāo)板電氣隔離，能否用光電隔離的辦法(如6N137)， 能否提供解決方案？第二，不用KEIL時(shí)，不能進(jìn)行軟仿 真，能否增添此方面的功能？

答：第一個(gè)問(wèn)題，只要隔離是雙向的并且支持高達(dá)幾百KHz 的速度，使用隔離器就是安全的。
第二個(gè)問(wèn)題，Keil是為Silicon Labs的MCU提供仿真器 的唯一廠商。我們的MCU具有實(shí)時(shí)硬件調(diào)試的性能，因 此典型應(yīng)用我們推薦使用在實(shí)際硬件上調(diào)試。這樣可以 提供更高精度的仿真，目前沒(méi)有計(jì)劃增加仿真器支持Sili - con Labs IDE。

問(wèn)：在使用USB/UART橋接方案的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)UART 找不到的問(wèn)題，請(qǐng)問(wèn)一般是由哪些原因造成的？
答：如果一個(gè)器件操作已經(jīng)打開(kāi)，則PC無(wú)法找到CP210x。 如果一個(gè)PC應(yīng)用已經(jīng)打開(kāi)一個(gè)操作，并且器件沒(méi)有連 接到PC，但是這個(gè)操作也不會(huì)被關(guān)閉，器件也不能被檢 測(cè)到。PC應(yīng)用時(shí)，必須在器件重新連接之前關(guān)閉操作。

問(wèn)：塊傳輸中的HIGH SPEED能達(dá)到53.2Mbyte/sec，這已 經(jīng)接近USB2.0理論上的極限值了，能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)速度的 傳輸？與哪些因素有關(guān)?
答：Silicon Labs的MCU不支持高速，僅僅可以支持USB 全 速（48 MHz時(shí)鐘速度）和USB 低速（6 MHz時(shí)鐘）。保持 固件路徑小是達(dá)到高吞吐率的一個(gè)要求，除非是在必要 情況下，數(shù)據(jù)不可以在不同的存儲(chǔ)空間移動(dòng)。

問(wèn)：C8051F340芯片功耗怎樣，能用于低功耗手持式便攜儀 器嗎？
答：C8051F340 MCU的功耗量示于數(shù)據(jù)手冊(cè)的表3.1（33 頁(yè)）。如果器件僅僅用于USB傳輸，可以將其設(shè)置在低 功耗模式，這樣當(dāng)不用USB傳輸時(shí)幾乎不需要電流。當(dāng) 與PC相連接時(shí)，可以從USB主機(jī)獲取電源，如果MCU 用于采集數(shù)據(jù)或其他功能，振蕩器可以配置成低速運(yùn)行 從而降低功耗。此外為了實(shí)現(xiàn)低功耗，還有一個(gè)片上低 頻率振蕩器。

問(wèn)：不同速率的USB設(shè)備互聯(lián)，會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？常常遇 到USB設(shè)備能檢測(cè)到，但是不能識(shí)別，是信號(hào)完整性的 問(wèn)題嗎？有沒(méi)有很好的解決辦法？
答：首先是USB集線器和USB主機(jī)支持連接不同速率的 USB設(shè)備（全速USB或高速USB），而一些USB集線器 僅僅可以在USB全速模式下工作。其次，如果PC可以 檢測(cè)到一個(gè)設(shè)備，但是不能識(shí)別，可能USB描述符或者 信號(hào)集成存在問(wèn)題。推薦先使用USB分析器檢查USB 枚舉結(jié)果，如果枚舉正確，再檢查信號(hào)集成。