C8051F320在USB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(jì)，如非擴(kuò)展之用，選用帶有ＭＣＵ的USB控制器當(dāng)然是設(shè)計(jì)師們的首選，因?yàn)檫@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(diǎn)

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(shí)際上，C8051F320是一個(gè)完整的小型片上系統(tǒng)（ＳｏＣ）。由于利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)：

●全速的USB ２．０功能控制器；

●內(nèi)部集成了時(shí)鐘恢復(fù)電路，且不需要外接晶體振蕩器；

●可支持８個(gè)USB端點(diǎn)；

●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(jì)中無需外部上拉電阻；

●具有高速增強(qiáng)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(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理速度可達(dá)２５ＭＩＰＳ（時(shí)鐘頻率為２５ＭＨｚ時(shí)）。

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(shí)，表示該設(shè)備已經(jīng)和主機(jī)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(jìn)行一次復(fù)位。此外，該腳還可作為Ｃ２接口的時(shí)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(jì)了一個(gè)USB和ＣＡＮ總線的接口轉(zhuǎn)換模塊，運(yùn)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(gè)ＣＡＮ總線測控網(wǎng)絡(luò)中，以對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)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(jì)中，最主要的工作就是USB接口部分的設(shè)計(jì)，包括硬件電路和固件程序的設(shè)計(jì)。

３．１ USB 接口硬件電路設(shè)計(jì)

由于C8051F320微控制器具有簡單易用的特點(diǎn)，因此，用C8051F320進(jìn)行USB接口的硬件設(shè)計(jì)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(gè)模塊的功率估計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)

USB固件程序設(shè)計(jì)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(jī)上時(shí)，主機(jī)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(diǎn)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(jī)通過USB描述符完成設(shè)備類型的識別和配置，同時(shí)為設(shè)備提供相應(yīng)的客戶端驅(qū)動(dòng)程序，運(yùn)行于USB協(xié)議棧上層的客戶端驅(qū)動(dòng)程序通過這些信息來正確訪問設(shè)備并與其通信，從而達(dá)到即插即用的目的。其中，配置中用到的兩個(gè)端點(diǎn)描述符如表１所列。

表1 端點(diǎn)描述

偏移量域大小
（字節(jié)）端點(diǎn)描述符1端點(diǎn)描述符2數(shù)值說明數(shù)值說明0bLength10x07描述符字節(jié)數(shù)0x07描述符字節(jié)數(shù)1bDescriptorType10x05端點(diǎn)描述符類型0x05端點(diǎn)描述符類型2bEndpointAddress10x81端點(diǎn)地址：端點(diǎn)1 IN0x02端點(diǎn)地址：端點(diǎn)2 OUT3bmAttributes10x02傳輸類型：批量傳輸0x02傳輸類型：批量傳輸4wMaxPacketSize264最大數(shù)據(jù)包64字節(jié)64最大數(shù)據(jù)包64字節(jié)6bInterval10x05/0x05/

（２）USB中斷服務(wù)程序的編寫

當(dāng)USB中斷到達(dá)時(shí)，C8051F320首先通過讀取USB功能控制器的三個(gè)中斷寄存器ＣＭＩＮＴ、ＩＮ１ＩＮＴ和ＯＵＴ１ＩＮＴ來判斷中斷來源（USB復(fù)位中斷、端點(diǎn)０中斷、端點(diǎn)１輸入中斷、端點(diǎn)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(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。

其中，端點(diǎn)０是每個(gè)USB設(shè)備都必須支持的默認(rèn)控制傳輸端點(diǎn)，主要用于主機(jī)對USB設(shè)備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設(shè)備錯(cuò)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(diǎn)０中斷處理模塊是一個(gè)最為復(fù)雜的中斷處理模塊。結(jié)合C8051F320端點(diǎn)０控制狀態(tài)寄存器Ｅ０ＣＳＲ的特點(diǎn)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。


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(diǎn)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(diǎn)０為空閑狀態(tài)，端點(diǎn)１的 ＩＮ和端點(diǎn)２的ＯＵＴ為暫停狀態(tài)）。端點(diǎn)１輸入中斷和端點(diǎn)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(shí)，在各自預(yù)先定義好的緩沖區(qū)中寫入要傳輸給主機(jī)的數(shù)據(jù)或取走主機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，實(shí)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U(xiǎn)SB總線接口技術(shù)或者只提供USB外接接口，所以設(shè)計(jì)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(jìn)行的一項(xiàng)前期研究工作，該方案具有較強(qiáng)的實(shí)用性。