基于I2C總線技術(shù)的USB接口設(shè)計(jì)

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(yīng)用。同時(shí)，他也得到了各PC廠商、芯片制造商和PC外設(shè)廠商的廣泛支持，USB外設(shè)在國內(nèi)外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設(shè)已經(jīng)有數(shù)千種。為PC外圍設(shè)備設(shè)計(jì)USB接口已成為大勢(shì)所趨。

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能日益強(qiáng)大，外圍電路日益復(fù)雜，其有限的管腳也就顯 得捉襟見肘。目前采用普通單片機(jī)外加USB接口芯片開發(fā)USB外設(shè)時(shí)，USB接口器件大都是采 用并行接口與單片機(jī)相連接，這樣再加上一些控制信號(hào)線，總共需要占用單片機(jī)十余個(gè)管腳 ，對(duì)于一般對(duì)傳輸速度要求不是很高的設(shè)備顯得有些浪費(fèi)，特別是對(duì)于為產(chǎn)品轉(zhuǎn)型而 進(jìn)行的USB接口開發(fā)，勢(shì)必會(huì)影響原來的電路連接和功能設(shè)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(jī)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(jìn)行USB接口開發(fā)的方法，他使用高速通用I2C接口與單片機(jī)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備在發(fā)送 數(shù)據(jù)時(shí)支持 數(shù)據(jù)偵錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴ＴO(shè)備安裝和配置容易，安裝USB設(shè)備不必 再打開機(jī)箱，增減設(shè)備不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，所有USB設(shè)備支持熱插拔，系統(tǒng)對(duì)他進(jìn)行自動(dòng)配置 。易于擴(kuò)展，外設(shè)接口之間采用菊花鏈形式連接通過使用Hub擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。能 夠采用總線供電，USB總線提供最大達(dá)5 V電壓，500 mA電流，可為小型設(shè)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(yīng)不同設(shè)備需要。

2.2I2C總線技術(shù)介紹

I2C總線技術(shù)是Philips公司研制出來的串行擴(kuò)展技術(shù)。他是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串 行總線，他只需要2根線（串行時(shí)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(duì)于并不要求很高的數(shù)據(jù)傳輸速度的外設(shè)，I2C總線的使用無疑簡(jiǎn)化了系統(tǒng) ，增加了硬件構(gòu)成的靈活性，是一種高效、方便的串行擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其內(nèi) 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(shí)序來完成接口功能，使用這種方法可任意從單片機(jī)中選取2個(gè)I/O口，作為串 行時(shí)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(diǎn)

PDIUSBD11 是一款性價(jià)比很高的USB 器件，他通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行 通 信的高速通用I2C接口。這種實(shí)現(xiàn)USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計(jì)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(shí)間風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，通過使用 已 有的結(jié)構(gòu)減少固件上的投資。從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB 外設(shè)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(jié)構(gòu)的器件 。PDIUSBD11符合USB 1��1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(jī)接 口設(shè)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(shí)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(shí)使USB 功能在外設(shè)上 的應(yīng)用變得容易。

3.2PDIUSBD11內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PDIUSBD11芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)集成了12~48 M時(shí)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(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層。完全由 硬件實(shí)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(shí)別、并行/串行轉(zhuǎn)換、位 填充/解除填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、PID校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生。

存儲(chǔ)器管理單元MMU和集成RAM當(dāng)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(shí)，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(duì)USB信息包進(jìn)行讀寫。

I2C控制接口這個(gè)模塊執(zhí)行必要的I2C接口協(xié)議。一個(gè)I2C控制器執(zhí)行簡(jiǎn)單的編碼。一個(gè)中斷信號(hào)，當(dāng)PDIUSBD11需引起注意時(shí)，用來向微控制器發(fā)出 警告。作為一個(gè)控制I2C的器件，PDIUSBD11的時(shí)鐘輸入SCL由微控制器控制。I2C接口的 傳輸速率能夠達(dá)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(shí)現(xiàn)的。1.5 kΩ上拉電阻集成在PDIUSBD11片內(nèi)，默認(rèn)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(shí)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(shí)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(yīng)用

PDIUSBD11芯片的應(yīng)用示意圖如圖2所示。