基于I2C總線技術的USB接口設計
摘要： 當速度要求不太高時采用帶I2C總線的USB接口控制芯片開發(fā)U SB接口，可以減少對單片機的引腳使用，簡化連接電路。本文介紹了Philips公司的一款帶I 2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11，以及他的外圍電路連接和固件程序的設計方法。
Abstract：
Key words :
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才真正被廣泛應用。同時，他也得到了各PC廠商、芯片制造商和PC外設廠商的廣泛支持，USB外設在國內外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設已經有數(shù)千種。為PC外圍設備設計USB接口已成為大勢所趨。
隨著單片機技術的發(fā)展，單片機的功能日益強大，外圍電路日益復雜，其有限的管腳也就顯 得捉襟見肘。目前采用普通單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB外設時，USB接口器件大都是采 用并行接口與單片機相連接，這樣再加上一些控制信號線，總共需要占用單片機十余個管腳 ，對于一般對傳輸速度要求不是很高的設備顯得有些浪費，特別是對于為產品轉型而 進行的USB接口開發(fā)，勢必會影響原來的電路連接和功能設置。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進行USB接口開發(fā)的方法，他使用高速通用I2C接口與單片機相連接。
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才真正被廣泛應用。同時，他也得到了各PC廠商、芯片制造商和PC外設廠商的廣泛支持，USB外設在國內外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設已經有數(shù)千種。為PC外圍設備設計USB接口已成為大勢所趨。
隨著單片機技術的發(fā)展，單片機的功能日益強大，外圍電路日益復雜，其有限的管腳也就顯 得捉襟見肘。目前采用普通單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB外設時，USB接口器件大都是采 用并行接口與單片機相連接，這樣再加上一些控制信號線，總共需要占用單片機十余個管腳 ，對于一般對傳輸速度要求不是很高的設備顯得有些浪費，特別是對于為產品轉型而 進行的USB接口開發(fā)，勢必會影響原來的電路連接和功能設置。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進行USB接口開發(fā)的方法，他使用高速通用I2C接口與單片機相連接。
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 串行通信標準。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)目煽啃浴ＴO備安裝和配置容易，安裝USB設備不必 再打開機箱，增減設備不用關閉計算機，所有USB設備支持熱插拔，系統(tǒng)對他進行自動配置 。易于擴展，外設接口之間采用菊花鏈形式連接通過使用Hub擴展可連接多達127個外設。能 夠采用總線供電，USB總線提供最大達5 V電壓，500 mA電流，可為小型設備供電。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），以適應不同設備需要。
2.2I2C總線技術介紹
I2C總線技術是Philips公司研制出來的串行擴展技術。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，I2C總線的使用無疑簡化了系統(tǒng) ，增加了硬件構成的靈活性，是一種高效、方便的串行擴展總線。
使用I2C傳輸數(shù)據(jù)有2種基本方法。第一種是采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內 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。
2.1USB背景介紹
USB是一些PC廠商為解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口間的矛盾制定的一種 串行通信標準。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)目煽啃浴ＴO備安裝和配置容易，安裝USB設備不必 再打開機箱，增減設備不用關閉計算機，所有USB設備支持熱插拔，系統(tǒng)對他進行自動配置 。易于擴展，外設接口之間采用菊花鏈形式連接通過使用Hub擴展可連接多達127個外設。能 夠采用總線供電，USB總線提供最大達5 V電壓，500 mA電流，可為小型設備供電。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），以適應不同設備需要。
2.2I2C總線技術介紹
I2C總線技術是Philips公司研制出來的串行擴展技術。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，I2C總線的使用無疑簡化了系統(tǒng) ，增加了硬件構成的靈活性，是一種高效、方便的串行擴展總線。
使用I2C傳輸數(shù)據(jù)有2種基本方法。第一種是采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內 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)與微控制器進行 通 信的高速通用I2C接口。這種實現(xiàn)USB 接口的標準組件使得設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)的時間風險以及費用，通過使用 已 有的結構減少固件上的投資。從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經濟的USB 外設的解決方案。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結構的器件 。PDIUSBD11符合USB 11協(xié)議規(guī)范、I2C串行接口和SMBUS協(xié)議規(guī)范。他完全符合人機接 口設備和監(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 功能在外設上 的應用變得容易。
3.2PDIUSBD11內部結構
PDIUSBD11芯片的內部結構如圖1所示。
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)與微控制器進行 通 信的高速通用I2C接口。這種實現(xiàn)USB 接口的標準組件使得設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)的時間風險以及費用，通過使用 已 有的結構減少固件上的投資。從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經濟的USB 外設的解決方案。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結構的器件 。PDIUSBD11符合USB 11協(xié)議規(guī)范、I2C串行接口和SMBUS協(xié)議規(guī)范。他完全符合人機接 口設備和監(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 功能在外設上 的應用變得容易。
3.2PDIUSBD11內部結構
PDIUSBD11芯片的內部結構如圖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/串行轉換、位 填充/解除填充、CRC校驗/產生、PID校驗/產生、地址識別和握手評估/產生。
存儲器管理單元MMU和集成RAM當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，默認狀態(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芯片的典型應用
PDIUSBD11芯片的應用示意圖如圖2所示。
PLL片內集成了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/串行轉換、位 填充/解除填充、CRC校驗/產生、PID校驗/產生、地址識別和握手評估/產生。
存儲器管理單元MMU和集成RAM當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，默認狀態(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芯片的典型應用
PDIUSBD11芯片的應用示意圖如圖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設備是否接到了P C機上。外部復位引腳Reset上電復位，但PDIUSBD11芯片內部提供復位電路，因此可以將他 接到3.3V上，屏蔽其外部復位功能。Suspend引腳，他的作用是當USB設備進入掛起模式時，輸出 高電平提醒主機，主機可通過拉低該引腳的電壓來喚醒USB設備，使用中也可以直接將該引 腳接地，來屏蔽USB設備的掛起功能。INT_N引腳與單片機的連接是必不可少的，當 主機需 要與USB設備通信時，該引腳變成低電平，通知USB設備進入中斷服務程序，中斷請求結束后 他又重新變回高電平。因此他通過上拉電阻接正電源，當空閑時處于高電平狀態(tài)。
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設備是否接到了P C機上。外部復位引腳Reset上電復位，但PDIUSBD11芯片內部提供復位電路，因此可以將他 接到3.3V上，屏蔽其外部復位功能。Suspend引腳，他的作用是當USB設備進入掛起模式時，輸出 高電平提醒主機，主機可通過拉低該引腳的電壓來喚醒USB設備，使用中也可以直接將該引 腳接地，來屏蔽USB設備的掛起功能。INT_N引腳與單片機的連接是必不可少的，當 主機需 要與USB設備通信時，該引腳變成低電平，通知USB設備進入中斷服務程序，中斷請求結束后 他又重新變回高電平。因此他通過上拉電阻接正電源，當空閑時處于高電平狀態(tài)。
4固件程序設計
單片機與PDIUSBD11的通信主要是靠單片機給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)。
當單片機使用專門的I2C接口與PDIUSBD11芯片連接時，可以直接進行輸入、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芯片進行通信 ，可將模擬I2C傳輸部分編成子程序，使用時直接調用即可。具體編程方法可參照I2C總 線規(guī)范。
USB單片機控制程序通常由3部分組成：
(1) 初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD11芯片）；
(2) 主循環(huán)部分，其任務是可以中斷的；
(3) 中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，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技術設計。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，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過 單片機發(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，以確保設備能順利進行USB連接。初始化程序范例如下：
按不同的應用方式（如遠程喚醒、掛起功能等），可在Set Mode的第一個字為PDIUS BD11芯片設置不同的模式。
4.2中斷服務程序
根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機（host）開始的，單片機作他的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就給單片 機發(fā)中斷，單片機檢測到INT_N引腳變成低電平后進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD11的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就 是中斷 服務程序的編寫。中斷服務程序流程圖如圖4所示。PDIUSBD11芯片可支持4個端點（EP0~3），其中端點0用來對應缺省控制通道并初始化和操縱配置設備，同時提供設備配置信息的 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?/font>
單片機與PDIUSBD11的通信主要是靠單片機給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)。
當單片機使用專門的I2C接口與PDIUSBD11芯片連接時，可以直接進行輸入、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芯片進行通信 ，可將模擬I2C傳輸部分編成子程序，使用時直接調用即可。具體編程方法可參照I2C總 線規(guī)范。
USB單片機控制程序通常由3部分組成：
(1) 初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUSBD11芯片）；
(2) 主循環(huán)部分，其任務是可以中斷的；
(3) 中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，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技術設計。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，默認狀態(tài)下不與VCC相連。連接的建立通過 單片機發(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，以確保設備能順利進行USB連接。初始化程序范例如下：
按不同的應用方式（如遠程喚醒、掛起功能等），可在Set Mode的第一個字為PDIUS BD11芯片設置不同的模式。
4.2中斷服務程序
根據(jù)USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機（host）開始的，單片機作他的前臺工作，等待中斷。主機首先要發(fā)令牌包給USB設備（這里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就給單片 機發(fā)中斷，單片機檢測到INT_N引腳變成低電平后進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD11的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就 是中斷 服務程序的編寫。中斷服務程序流程圖如圖4所示。PDIUSBD11芯片可支持4個端點（EP0~3），其中端點0用來對應缺省控制通道并初始化和操縱配置設備，同時提供設備配置信息的 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?/font>
具體的固件程序內容可參考文獻［4］，PDIUSBD12芯片是Philips公司的一款帶并口的USB接口芯片，目前應用較廣。
4.3測試結果
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的I2C接口速率決定的。經測試其傳輸速率可達500 kb/s，遠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備的需要。
4.3測試結果
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的I2C接口速率決定的。經測試其傳輸速率可達500 kb/s，遠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備的需要。
5結語
使用單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB接口，適用于為現(xiàn)有產品開發(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接口設計可以減少與單片機的引腳連接 ，簡化外圍電路設計。雖然只有2根數(shù)據(jù)線負責數(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備的需要。
使用單片機外加USB接口芯片開發(fā)USB接口，適用于為現(xiàn)有產品開發(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接口設計可以減少與單片機的引腳連接 ，簡化外圍電路設計。雖然只有2根數(shù)據(jù)線負責數(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備的需要。
參考文獻
［1］PDIUSBD11 Data Sheet［S］.
［2］USB Specification V11［S］.
［3］I2C總線規(guī)范［S］.
［4］周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大 學出版社，2003.
［2］USB Specification V11［S］.
［3］I2C總線規(guī)范［S］.
［4］周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大 學出版社，2003.
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