嵌入USB控制器的51系列单片机EZ-USB

1 概 述

随着PC的广泛应用，其外设也越来越多，打印机、鼠标、扫描仪、游戏杆、音箱……，每个外设都需要通过一个接口与PC相连。外设多了，PC的I/O插口自然也就不够用了。在很多特定的应用场合，如工业数据采集等领域，常常用采集板卡来完成工作，而每一个板卡自然会占用一个PC插槽。PC插槽有限。采集点多了就不够用。除此之外，在个人电脑的应用中，外围设备存在很多问题。这些问题大致可以归结到成本、配置以及个人电脑的连接等几个方面，而USB正是为了解决这些问题而出现的一种方案。简而言之，USB的出现不仅解决了I/O插口不够的问题，而且还建立了一条连接和访问外设的方法。这些方法可以有效地减少总体成本，而且从终端用户的角度来看，可以增加可连接的外设数目，简化设备的连接和配置。

通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间的串行总线。其拓扑结构如图1所示。

USB的特性有：

成本低。为了把外设连接到PC上，USB提供了一种低成本的解决方案。

热插拔。设备连接后由USB自动检测，并由软件自动配置，完成后可立即使用，无须用户干涉。

单一的连接器类型。USB定义了一种简单的连接器，可以用来连接任何一个USB设备。多个连接器可以通过USB集线器连接。

每个USB总线支持127个设备的连接。

USB支持三种设备传输速率：1.5 Mb/s(低速设备)、12 Mb/s(中速设备)和480 Mb/s(高速设备)。

外设能够直接由USB总线进行供电。

不需要系统资源(如内存、I/O地址空间和中断请求线路)。

USB事务处理包括错误检测机制，它们用以确保数据无错误发送。

电源保护。如果连续3 ms没有总线活动，USB将自动进入挂起状态。

支持四种类型的传输方式：块传输、控制传输、中断传输和同步传输。

2 通用USB控制系统的组成结构

在每一个USB设备中都有一个串行接口引擎(SIE)。SIE与USB数据线的D+和D-两个引脚相连，与USB设备进行字节传送。图2表示一次USB块传输，时间顺序从左到右。SIE对PID信息包进行解码，并通过传送的CRC位对数据进行错误检测，然后，将有效数据送到USB设备。如果SIE检测到一个出错的数据，它并不是发出一个握手信号，而是自动地不进行响应，并告诉主机延时重发。

由于USB被设计成可以用简便有效的方法来与多种类型的外设通信，没有现有接口的局限性和缺点，这样，导致了对USB接口的设计和编程更加复杂。为了降低设计者的开发难度，使用专用的USB控制器已成为研制人员的首选方案。

USB协议的复杂性意味着USB外设必须具备智能。USB控制器必须知道如何检测并对USB端口的事件做出反应。一般的做法是：USB控制器只处理USB通信，由一个外部的微控制器(MCU)来管理USB控制器的寄存器、设备描述符的获取和数据包的交换等，如图3所示。

表1所示为可与一般微控制器连接的USB控制器。

USB控制器使用串行口或并行口与MCU连接。这样，外部接口可能比USB最大速度要慢，使得芯片只适合传送间歇数据。这样设计的好处是系统组成灵活，可根据不同的系统需求，搭配不同的MCU，使其具有很高的性能价格比；但同时也加大了编程设计人员的开发难度，延长了产品的开发周期。

另一种可行的方法是使用嵌入MCU的USB控制器。这样，CPU只需要访问一系列寄存器和存储器，便可实现USB口的数据传输。从而简化了程序的设计，并且许多供应商还提供许多范例电路和测试代码，使设计者从复杂的协议解释中得到解脱。现在，许多芯片制造商开始生产一些基于通用MCU的USB控制器，采用研制人员所熟知的指令集，大大简化了编程的难度。如基于8051结构的USB控制器有：Intel公司的8X930A、8X931A；CYPRESS公司的EZ-USB等。此外，还有基于MITSUBISHI 740/7600/M16C的USB芯片；基于MOTORORA HC05系列的USB芯片等。受篇幅所限，本文仅介绍EZ-USB 2100系列单片机。

3 EZ-USB组成结构及特性

美国CYPRESS公司是一家从事USB接口芯片和USB单片机开发和生产的公司。CYPRESS最新推出的带智能USB接口的单片机EZ-USB，极大地降低了USB外设的开发难度，为PC外设的制造商提供了一个性能优良、价格较低的设计方案。

EZ-USB有多个系列的产品，根据不同的速率需求，可满足不同的系统要求和价格。CYPRESS提供三个系列的EZ-USB芯片，如表2和表3所列。

3.1 EZ-USB芯片组成结构

EZ-USB芯片将USB接口的控制核整合到单片机集成电路中，如图4所示。集成的USB收发模块与USB 总线的D+和D－引脚相连。SIE进行串行数据译码和错误更正，以及其他USB所要求的信号级操作等，最后，再与USB收发模块接口进行数据字节的传输。