C8051F320在USB設(shè)計中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：C8051F320；USB；USB描述符；固件
隨著ＵＳＢ技術(shù)的快速發(fā)展以及ＵＳＢ外設(shè)在越來越多場合的廣泛應(yīng)用，支持ＵＳＢ接口技術(shù)的芯片也越來越多。對于ＵＳＢ接口的設(shè)計，如非擴展之用，選用帶有ＭＣＵ的ＵＳＢ控制器當(dāng)然是設(shè)計師們的首選，因為這樣不僅可以大大簡化硬件電路、減小外設(shè)體積，而且還可以提高產(chǎn)品的可靠性。文中介紹的Ｃ８０５１Ｆ３２０就是順應(yīng)這種需求而推出的一種新型ＵＳＢ控制器芯片。
１ Ｃ８０５１Ｆ３２０的主要特點
Ｃ８０５１Ｆ３２０是Ｃｙｇｎａｌ公司推出的一款具有全速ＵＳＢ功能的混合信號ｆｌａｓｈ微控制器芯片，該器件內(nèi)部集成有２３０４ Ｂｙｔｅ ＲＡＭ和１６ｋ Ｂｙｔｅ的ｆｌａｓｈ存儲器。實際上，Ｃ８０５１Ｆ３２０是一個完整的小型片上系統(tǒng)（ＳｏＣ）。
由于利用該芯片進行設(shè)計時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型ＵＳＢ應(yīng)用的理想選擇。與其它同類產(chǎn)品相比，Ｃ８０５１Ｆ３２０主要具有如下一些特點：
●全速的ＵＳＢ ２．０功能控制器；
●內(nèi)部集成了時鐘恢復(fù)電路，且不需要外接晶體振蕩器；
●可支持８個ＵＳＢ端點；
●帶有１ｋ字節(jié)的ＵＳＢ緩沖存儲器；
●內(nèi)部集成了ＵＳＢ接口的數(shù)據(jù)收發(fā)器，設(shè)計中無需外部上拉電阻；
●具有高速增強型８０５１ ＭＣＵ內(nèi)核，該ＭＣＵ內(nèi)核采用流水線式指令結(jié)構(gòu)，７０％的指令執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期，處理速度可達２５ＭＩＰＳ（時鐘頻率為２５ＭＨｚ時）。
此外，Ｃ８０５１Ｆ３２０還有許多其它特性，如支持在系統(tǒng)編程（ＩＳＰ），帶有可編程的數(shù)字Ｉ／Ｏ和數(shù)字交叉開關(guān)，可提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)片內(nèi)調(diào)試電路等。
２ Ｃ８０５１Ｆ３２０的引腳功能
Ｃ８０５１Ｆ３２０的引腳排列如圖１所示。主要引腳的功能如下：
Ｄ＋、Ｄ－：ＵＳＢ電纜的ＵＳＢ Ｄ＋和ＵＳＢ Ｄ－連接端；
ＶＤＤ：２．７～３．６Ｖ片上電源輸入端或片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的３．３Ｖ輸出端；
ＲＥＧＩＮ：片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的５Ｖ輸入端；
ＶＢＵＳ：ＵＳＢ電纜ＶＢＵＳ引線的感應(yīng)輸入端，當(dāng)該腳出現(xiàn)５Ｖ高電平信號時，表示該設(shè)備已經(jīng)和主機連接好；
ＲＳＴ／Ｃ２ＣＫ：多功能引腳，內(nèi)部上電復(fù)位ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）和ＶＤＤ監(jiān)視器的漏極開路輸出，使該腳保持低電平１５μｓ以上可對系統(tǒng)進行一次復(fù)位。此外，該腳還可作為Ｃ２接口的時鐘信號輸入端；
Ｐ３．０／Ｃ２Ｄ：多功能引腳，可作為Ｉ／Ｏ端口或Ｃ２接口的雙向數(shù)據(jù)信號傳輸端口。
３ 應(yīng)用舉例
筆者以Ｃ８０５１Ｆ３２０為核心設(shè)計了一個ＵＳＢ和ＣＡＮ總線的接口轉(zhuǎn)換模塊，運用該接口轉(zhuǎn)換模塊可以方便地把具有ＵＳＢ接口的測控設(shè)備連接到一個ＣＡＮ總線測控網(wǎng)絡(luò)中，以對系統(tǒng)的運行狀況進行系統(tǒng)和整體的測試和分析。
在該接口轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計中，最主要的工作就是ＵＳＢ接口部分的設(shè)計，包括硬件電路和固件程序的設(shè)計。
３．１ ＵＳＢ 接口硬件電路設(shè)計
由于Ｃ８０５１Ｆ３２０微控制器具有簡單易用的特點，因此，用Ｃ８０５１Ｆ３２０進行ＵＳＢ接口的硬件設(shè)計也顯得十分簡單，主要包括兩部分的內(nèi)容，一是接口轉(zhuǎn)換模塊供電方式的選擇，二是ＵＳＢ引腳的連接，圖２是其ＵＳＢ接口電路圖。
由于整個模塊的功率估計在３Ｗ左右，而ＵＳＢ總線的供電量只適合小功率模塊的供電，最大也只有５００ｍＡ，因此不能滿足整個模塊的安全供電，所以模塊選擇自供電模式，圖２所示的整個模塊（包括Ｃ８０５１Ｆ３２０和模塊中所有其它部分）的供電電源都來自外部５Ｖ電源。由于Ｃ８０５１Ｆ３２０中的ＵＳＢ收發(fā)器內(nèi)部集成了上拉電阻，因而不需要任何外部器件便可直接與ＵＳＢ接口相連。
３．２ ＵＳＢ固件程序設(shè)計
ＵＳＢ固件程序設(shè)計是ＵＳＢ接口部分的主要工作，它的主要目的是：當(dāng)ＵＳＢ設(shè)備連接到主機上時，主機可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，也就是能夠讓Ｗｉｎｄｏｗｓ正常檢測和識別ＵＳＢ設(shè)備。因此在ＵＳＢ固件程序中，最重要的工作就是ＵＳＢ描述符的定義和ＵＳＢ傳輸中斷的處理。
（１）ＵＳＢ描述符
ＵＳＢ描述符是ＵＳＢ協(xié)議定義的一套描述設(shè)備功能和屬性的固定結(jié)構(gòu)的描述語言。ＵＳＢ２．０中的描述符包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等８種標(biāo)準(zhǔn)描述符和其它一些非標(biāo)準(zhǔn)描述符。ＵＳＢ主機通過ＵＳＢ描述符完成設(shè)備類型的識別和配置，同時為設(shè)備提供相應(yīng)的客戶端驅(qū)動程序，運行于ＵＳＢ協(xié)議棧上層的客戶端驅(qū)動程序通過這些信息來正確訪問設(shè)備并與其通信，從而達到即插即用的目的。其中，配置中用到的兩個端點描述符如表１所列。
表1 端點描述
| 偏移量 | 域 | 大小 （字節(jié)） |
端點描述符1 | 端點描述符2 | ||
| 數(shù)值 | 說明 | 數(shù)值 | 說明 | |||
| 0 | bLength | 1 | 0x07 | 描述符字節(jié)數(shù) | 0x07 | 描述符字節(jié)數(shù) |
| 1 | bDescriptorType | 1 | 0x05 | 端點描述符類型 | 0x05 | 端點描述符類型 |
| 2 | bEndpointAddress | 1 | 0x81 | 端點地址：端點1 IN | 0x02 | 端點地址：端點2 OUT |
| 3 | bmAttributes | 1 | 0x02 | 傳輸類型：批量傳輸 | 0x02 | 傳輸類型：批量傳輸 |
| 4 | wMaxPacketSize | 2 | 64 | 最大數(shù)據(jù)包64字節(jié) | 64 | 最大數(shù)據(jù)包64字節(jié) |
| 6 | bInterval | 1 | 0x05 | / | 0x05 | / |
（２）ＵＳＢ中斷服務(wù)程序的編寫
當(dāng)ＵＳＢ中斷到達時，Ｃ８０５１Ｆ３２０首先通過讀取ＵＳＢ功能控制器的三個中斷寄存器ＣＭＩＮＴ、ＩＮ１ＩＮＴ和ＯＵＴ１ＩＮＴ來判斷中斷來源（ＵＳＢ復(fù)位中斷、端點０中斷、端點１輸入中斷、端點２輸出中斷），然后根據(jù)不同的中斷來源跳入相應(yīng)的處理模塊以進行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。
其中，端點０是每個ＵＳＢ設(shè)備都必須支持的默認(rèn)控制傳輸端點，主要用于主機對ＵＳＢ設(shè)備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設(shè)備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入兩部分組成。每次傳輸首先由設(shè)置事務(wù)開始，然后根據(jù)設(shè)置事務(wù)數(shù)據(jù)包中的ＵＳＢ標(biāo)準(zhǔn)命令請求判斷該次傳輸是控制輸入還是控制輸出。由于作用和地位的特殊性和重要性，端點０中斷處理模塊是一個最為復(fù)雜的中斷處理模塊。結(jié)合Ｃ８０５１Ｆ３２０端點０控制狀態(tài)寄存器Ｅ０ＣＳＲ的特點和應(yīng)用的具體需求，圖３給出了該中斷處理模塊的流程圖，主要是對控制傳輸中設(shè)置事務(wù)的分析和處理。
圖3
ＵＳＢ復(fù)位中斷的主要作用是將相關(guān)ＵＳＢ變量、寄存器和各端點的狀態(tài)恢復(fù)為初始狀態(tài)（需要注意的是：復(fù)位后，端點０為空閑狀態(tài)，端點１的 ＩＮ和端點２的ＯＵＴ為暫停狀態(tài)）。端點１輸入中斷和端點２輸出中斷均為批量傳輸中斷，其主要作用是在收到中斷時，在各自預(yù)先定義好的緩沖區(qū)中寫入要傳輸給主機的數(shù)據(jù)或取走主機傳輸過來的數(shù)據(jù)，實際上，這是Ｃ８０５１Ｆ３２０ 讀寫ＵＳＢ緩沖區(qū)的過程。
４ 結(jié)束語
隨著ＵＳＢ技術(shù)的日益成熟，越來越多的測控設(shè)備趨向于引入ＵＳＢ總線接口技術(shù)或者只提供ＵＳＢ外接接口，所以設(shè)計一種ＵＳＢ接口到測控網(wǎng)絡(luò)總線的接口轉(zhuǎn)換模塊非常必要。文中給出的這種ＵＳＢ和ＣＡＮ總線的接口轉(zhuǎn)換模塊就是立足于這類需要而進行的一項前期研究工作，該方案具有較強的實用性。
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