基于I2C总线技术的USB接口设计
时间：01-20
来源：C114
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1前言
USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家 公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。同时，他也得到了各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持，USB外设在国内外以惊人的速度发展，迄今为止，各种USB的外设已经有数千种。为PC外围设备设计USB接口已成为大势所趋。
随着单片机技术的发展，单片机的功能日益强大，外围电路日益复杂，其有限的管脚也就显 得捉襟见肘。目前采用普通单片机外加USB接口芯片开发USB外设时，USB接口器件大都是采 用并行接口与单片机相连接，这样再加上一些控制信号线，总共需要占用单片机十余个管脚 ，对于一般对传输速度要求不是很高的设备显得有些浪费，特别是对于为产品转型而 进行的USB接口开发，势必会影响原来的电路连接和功能设置。因此，采用一种既能保持较 高的传输速度，又能减少单片机引脚使用的USB接口开发方法很有必要。本文介绍一种 采用Philips公司带I2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11进行USB接口开发的方法，他使用高速通用I2C接口与单片机相连接。
2背景介绍
2.1USB背景介绍
USB是一些PC厂商为解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口间的矛盾制定的一种 串行通信标准。他传输速度快，能提供3种传输方式：低速模式(速率为1.5 Mb/s)；中速模 式(速率为12 Mb/s)；高速模式(速率为360 Mb/s以上)。数据传输可靠，USB设备在发送 数据时支持 数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。设备安装和配置容易，安装USB设备不必 再打开机箱，增减设备不用关闭计算机，所有USB设备支持热插拔，系统对他进行自动配置 。易于扩展，外设接口之间采用菊花链形式连接通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。能 够采用总线供电，USB总线提供最大达5 V电压，500 mA电流，可为小型设备供电。使用灵活，USB共有4种传输模式：控制传输（control）、同步传输（synchronization）、中断传输 （interrupt）、批量传输（bulk），以适应不同设备需要。
2.2I2C总线技术介绍
I2C总线技术是Philips公司研制出来的串行扩展技术。他是一种简单、双向二线制同步串 行总线，他只需要2根线（串行时钟线SCL和串行数据线SDA）即可在连接于总线上的器件之 间传送信息。对于并不要求很高的数据传输速度的外设，I2C总线的使用无疑简化了系统 ，增加了硬件构成的灵活性，是一种高效、方便的串行扩展总线。
使用I2C传输数据有2种基本方法。第一种是采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内 部含有I2C接口电路，使用这种方法可直接从接口读写数据。第二种是采用软件程序模拟I2C总线的时序来完成接口功能，使用这种方法可任意从单片机中选取2个I/O口，作为串 行时钟线SCL和串行数据线SDA，使用灵活。
3PDIUSBD11芯片介绍
3.1PDIUSBD11芯片特点
PDIUSBD11 是一款性价比很高的USB 器件，他通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行 通 信的高速通用I2C接口。这种实现USB 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微 控制器中选择出最合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用，通过使用 已 有的结构减少固件上的投资。从而用最快捷的方法实现最经济的USB 外设的解决方案。PD IUSBD11适用于电脑监视器、操纵杆、键盘和其他一些使用I2C或SMBUS结构的器件 。PDIUSBD11符合USB 11协议规范、I2C串行接口和SMBUS协议规范。他完全符合人机接 口设备和监视控制类协议规范。PDIUSBD11所具有的低挂起功耗连同LazyClock 输出可以满 足使用ACPI，OnNOW 和USB 电源管理的要求。低的操作功耗可以执行总线供电功能。此外他 还集成了许多特性包括SoftConnetTM，GoodLinkTM，可编程时钟输出、低频晶振、多重功能 终端和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统显著节约了成本，同时使USB 功能在外设上 的应用变得容易。
3.2PDIUSBD11内部结构
PDIUSBD11芯片的内部结构如图1所示。
模拟收发器收发器接口可通过终端电阻直接与USB电缆相连，他们能以全速（12 Mb/s）传送和接收数据。
PLL片内集成了12~48 M时钟乘法器PLL。这样就可使用低成本的12 M晶振 ，EMI也随之降低。PLL的工作不需要外部元件。
Philips串行接口引擎PSIEPhilips SIE实现了全部的USB协议层。完全由 硬件实现而不需要固件的参与。该模块的功能包括：同步模式的识别、并行/串行转换、位 填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生。
存储器管理单元MMU和集成RAM当USB接口以12 Mb/s的速率传输并且I2C接口以1 Mb/s与微控制器相连时，MMU和集成RAM被用来处理这种极大的速率差异。这就允许 微控制器以他自己的速率通过I2C接口对USB信息包进行读写。
I2C控制接口这个模块执行必要的I2C接口协议。一个I2C控制器执行简单的编码。一个中断信号，当PDIUSBD11需引起注意时，用来向微控制器发出 警告。作为一个控制I2C的器件，PDIUSBD11的时钟输入SCL由微控制器控制。I2C接口的 传输速率能够达到1 Mb/s。
SoftConnectTM与USB的连接是通过1.5 kΩ上拉电阻将D+（用于 高速USB器件）置为高实现的。1.5 kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD11片内，默认状态下不与VC C相连。连接的建立通过外部/系统微控制器发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决定 与USB建立连接之前完成初始化时序。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。
3.3PDIUSBD11芯片的典型应用
PDIUSBD11芯片的应用示意图如图2所示。
其外围电路典型连接如图3所示。
VBUS是USB的总线电源感知引脚，通过他USB接口控制芯片判断USB设备是否接到了P C机上。外部复位引脚Reset上电复位，但PDIUSBD11芯片内部提供复位电路，因此可以将他 接到3.3V上，屏蔽其外部复位功能。Suspend引脚，他的作用是当USB设备进入挂起模式时，输出 高电平提醒主机，主机可通过拉低该引脚的电压来唤醒USB设备，使用中也可以直接将该引 脚接地，来屏蔽USB设备的挂起功能。INT_N引脚与单片机的连接是必不可少的，当 主机需 要与USB设备通信时，该引脚变成低电平，通知USB设备进入中断服务程序，中断请求结束后 他又重新变回高电平。因此他通过上拉电阻接正电源，当空闲时处于高电平状态。
4固件程序设计
单片机与PDIUSBD11的通信主要是靠单片机给PDIUSBD11发命令和数据来实现的。 PDI USBD11的命令字分为3种：初始化命令字、数据流命令字 和通用命令字。PDIUSBD11给出了各种命 令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD11的命令地址发命令，根据不同命令的要求再 发送或读出不同的数据。
当单片机使用专门的I2C接口与PDIUSBD11芯片连接时，可以直接进行输入、输出通信。但 如果只使用2个普通的I/O口连接时，需要用软件模拟I2C接口与PDIUSBD11芯片进行通信 ，可将模拟I2C传输部分编成子程序，使用时直接调用即可。具体编程方法可参照I2C总 线规范。
USB单片机控制程序通常由3部分组成：
(1) 初始化单片机和所有的外围电路（包括PDIUSBD11芯片）；
(2) 主循环部分，其任务是可以中断的；
(3) 中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。
4.1初始化程序
在编写初始化程序时需要注意，由于PDIUSBD11芯片采用Philips的SoftConnectTM技术设计。与USB的连接通过1.5 kΩ上拉电阻将D+（用于高速USB器件）置为高实现。1.5kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD11片内，默认状态下不与VCC相连。连接的建立通过 单片机发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决定与建立USB连接之前完成初始化时序 。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。所以在固件程序中需要编写芯片初始化 程序，以确保设备能顺利进行USB连接。初始化程序范例如下：
按不同的应用方式（如远程唤醒、挂起功能等），可在Set Mode的第一个字为PDIUS BD11芯片设置不同的模式。
4.2中断服务程序
根据USB协议，任何传输都是由主机（host）开始的，单片机作他的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备（这里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就给单片 机发中断，单片机检测到INT_N引脚变成低电平后进入中断服务程序，首先读PDIUSBD11的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，然后执行相应的操作。因此，USB单片机程序主要就 是中断 服务程序的编写。中断服务程序流程图如图4所示。PDIUSBD11芯片可支持4个端点（EP0~3），其中端点0用来对应缺省控制通道并初始化和操纵配置设备，同时提供设备配置信息的 读取和支持控制传输。端点1~3则用于支持块传输和中断传输等。
具体的固件程序内容可参考文献［4］，PDIUSBD12芯片是Philips公司的一款带并口的USB接口芯片，目前应用较广。
4.3测试结果
用PDIUSBD11芯片开发的USB接口，数据的传输速率是由单片机的I2C接口速率决定的。经测试其传输速率可达500 kb/s，远高于普通串口的传输速率，保持了USB接口的高速性，能满足一般的非大容量存储设备的需要。
5结语
使用单片机外加USB接口芯片开发USB接口，适用于为现有产品开发USB接口，能尽量避免对 原有电路及程序的修改，降低了开发成本和风险。在对速度要求不太高的情况下，可采用Ph ilips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，他特有的I2C接口设计可以减少与单片机的引脚连接 ，简化外围电路设计。虽然只有2根数据线负责数据的双向传输，但仍保证了较高的传输速 率，能满足一般的对速度要求不太高的设备的需要。
编辑：小宇
USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是在1994年底由康柏、IBM、Microsoft等多家 公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。同时，他也得到了各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持，USB外设在国内外以惊人的速度发展，迄今为止，各种USB的外设已经有数千种。为PC外围设备设计USB接口已成为大势所趋。
随着单片机技术的发展，单片机的功能日益强大，外围电路日益复杂，其有限的管脚也就显 得捉襟见肘。目前采用普通单片机外加USB接口芯片开发USB外设时，USB接口器件大都是采 用并行接口与单片机相连接，这样再加上一些控制信号线，总共需要占用单片机十余个管脚 ，对于一般对传输速度要求不是很高的设备显得有些浪费，特别是对于为产品转型而 进行的USB接口开发，势必会影响原来的电路连接和功能设置。因此，采用一种既能保持较 高的传输速度，又能减少单片机引脚使用的USB接口开发方法很有必要。本文介绍一种 采用Philips公司带I2C接口的USB接口芯片PDIUSBD11进行USB接口开发的方法，他使用高速通用I2C接口与单片机相连接。
2背景介绍
2.1USB背景介绍
USB是一些PC厂商为解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口间的矛盾制定的一种 串行通信标准。他传输速度快，能提供3种传输方式：低速模式(速率为1.5 Mb/s)；中速模 式(速率为12 Mb/s)；高速模式(速率为360 Mb/s以上)。数据传输可靠，USB设备在发送 数据时支持 数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。设备安装和配置容易，安装USB设备不必 再打开机箱，增减设备不用关闭计算机，所有USB设备支持热插拔，系统对他进行自动配置 。易于扩展，外设接口之间采用菊花链形式连接通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。能 够采用总线供电，USB总线提供最大达5 V电压，500 mA电流，可为小型设备供电。使用灵活，USB共有4种传输模式：控制传输（control）、同步传输（synchronization）、中断传输 （interrupt）、批量传输（bulk），以适应不同设备需要。
2.2I2C总线技术介绍
I2C总线技术是Philips公司研制出来的串行扩展技术。他是一种简单、双向二线制同步串 行总线，他只需要2根线（串行时钟线SCL和串行数据线SDA）即可在连接于总线上的器件之 间传送信息。对于并不要求很高的数据传输速度的外设，I2C总线的使用无疑简化了系统 ，增加了硬件构成的灵活性，是一种高效、方便的串行扩展总线。
使用I2C传输数据有2种基本方法。第一种是采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内 部含有I2C接口电路，使用这种方法可直接从接口读写数据。第二种是采用软件程序模拟I2C总线的时序来完成接口功能，使用这种方法可任意从单片机中选取2个I/O口，作为串 行时钟线SCL和串行数据线SDA，使用灵活。
3PDIUSBD11芯片介绍
3.1PDIUSBD11芯片特点
PDIUSBD11 是一款性价比很高的USB 器件，他通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行 通 信的高速通用I2C接口。这种实现USB 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微 控制器中选择出最合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用，通过使用 已 有的结构减少固件上的投资。从而用最快捷的方法实现最经济的USB 外设的解决方案。PD IUSBD11适用于电脑监视器、操纵杆、键盘和其他一些使用I2C或SMBUS结构的器件 。PDIUSBD11符合USB 11协议规范、I2C串行接口和SMBUS协议规范。他完全符合人机接 口设备和监视控制类协议规范。PDIUSBD11所具有的低挂起功耗连同LazyClock 输出可以满 足使用ACPI，OnNOW 和USB 电源管理的要求。低的操作功耗可以执行总线供电功能。此外他 还集成了许多特性包括SoftConnetTM，GoodLinkTM，可编程时钟输出、低频晶振、多重功能 终端和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统显著节约了成本，同时使USB 功能在外设上 的应用变得容易。
3.2PDIUSBD11内部结构
PDIUSBD11芯片的内部结构如图1所示。
模拟收发器收发器接口可通过终端电阻直接与USB电缆相连，他们能以全速（12 Mb/s）传送和接收数据。
PLL片内集成了12~48 M时钟乘法器PLL。这样就可使用低成本的12 M晶振 ，EMI也随之降低。PLL的工作不需要外部元件。
Philips串行接口引擎PSIEPhilips SIE实现了全部的USB协议层。完全由 硬件实现而不需要固件的参与。该模块的功能包括：同步模式的识别、并行/串行转换、位 填充/解除填充、CRC校验/产生、PID校验/产生、地址识别和握手评估/产生。
存储器管理单元MMU和集成RAM当USB接口以12 Mb/s的速率传输并且I2C接口以1 Mb/s与微控制器相连时，MMU和集成RAM被用来处理这种极大的速率差异。这就允许 微控制器以他自己的速率通过I2C接口对USB信息包进行读写。
I2C控制接口这个模块执行必要的I2C接口协议。一个I2C控制器执行简单的编码。一个中断信号，当PDIUSBD11需引起注意时，用来向微控制器发出 警告。作为一个控制I2C的器件，PDIUSBD11的时钟输入SCL由微控制器控制。I2C接口的 传输速率能够达到1 Mb/s。
SoftConnectTM与USB的连接是通过1.5 kΩ上拉电阻将D+（用于 高速USB器件）置为高实现的。1.5 kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD11片内，默认状态下不与VC C相连。连接的建立通过外部/系统微控制器发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决定 与USB建立连接之前完成初始化时序。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。
3.3PDIUSBD11芯片的典型应用
PDIUSBD11芯片的应用示意图如图2所示。
其外围电路典型连接如图3所示。
VBUS是USB的总线电源感知引脚，通过他USB接口控制芯片判断USB设备是否接到了P C机上。外部复位引脚Reset上电复位，但PDIUSBD11芯片内部提供复位电路，因此可以将他 接到3.3V上，屏蔽其外部复位功能。Suspend引脚，他的作用是当USB设备进入挂起模式时，输出 高电平提醒主机，主机可通过拉低该引脚的电压来唤醒USB设备，使用中也可以直接将该引 脚接地，来屏蔽USB设备的挂起功能。INT_N引脚与单片机的连接是必不可少的，当 主机需 要与USB设备通信时，该引脚变成低电平，通知USB设备进入中断服务程序，中断请求结束后 他又重新变回高电平。因此他通过上拉电阻接正电源，当空闲时处于高电平状态。
4固件程序设计
单片机与PDIUSBD11的通信主要是靠单片机给PDIUSBD11发命令和数据来实现的。 PDI USBD11的命令字分为3种：初始化命令字、数据流命令字 和通用命令字。PDIUSBD11给出了各种命 令的代码和地址。单片机先给PDIUSBD11的命令地址发命令，根据不同命令的要求再 发送或读出不同的数据。
当单片机使用专门的I2C接口与PDIUSBD11芯片连接时，可以直接进行输入、输出通信。但 如果只使用2个普通的I/O口连接时，需要用软件模拟I2C接口与PDIUSBD11芯片进行通信 ，可将模拟I2C传输部分编成子程序，使用时直接调用即可。具体编程方法可参照I2C总 线规范。
USB单片机控制程序通常由3部分组成：
(1) 初始化单片机和所有的外围电路（包括PDIUSBD11芯片）；
(2) 主循环部分，其任务是可以中断的；
(3) 中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。
4.1初始化程序
在编写初始化程序时需要注意，由于PDIUSBD11芯片采用Philips的SoftConnectTM技术设计。与USB的连接通过1.5 kΩ上拉电阻将D+（用于高速USB器件）置为高实现。1.5kΩ上拉电阻集成在PDIUSBD11片内，默认状态下不与VCC相连。连接的建立通过 单片机发送命令来实现。这就允许系统微控制器在决定与建立USB连接之前完成初始化时序 。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。所以在固件程序中需要编写芯片初始化 程序，以确保设备能顺利进行USB连接。初始化程序范例如下：
按不同的应用方式（如远程唤醒、挂起功能等），可在Set Mode的第一个字为PDIUS BD11芯片设置不同的模式。
4.2中断服务程序
根据USB协议，任何传输都是由主机（host）开始的，单片机作他的前台工作，等待中断。主机首先要发令牌包给USB设备（这里是PDIUSBD11），PDIUSBD11接收到令牌包后就给单片 机发中断，单片机检测到INT_N引脚变成低电平后进入中断服务程序，首先读PDIUSBD11的中断寄存器，判断USB令牌包的类型，然后执行相应的操作。因此，USB单片机程序主要就 是中断 服务程序的编写。中断服务程序流程图如图4所示。PDIUSBD11芯片可支持4个端点（EP0~3），其中端点0用来对应缺省控制通道并初始化和操纵配置设备，同时提供设备配置信息的 读取和支持控制传输。端点1~3则用于支持块传输和中断传输等。
具体的固件程序内容可参考文献［4］，PDIUSBD12芯片是Philips公司的一款带并口的USB接口芯片，目前应用较广。
4.3测试结果
用PDIUSBD11芯片开发的USB接口，数据的传输速率是由单片机的I2C接口速率决定的。经测试其传输速率可达500 kb/s，远高于普通串口的传输速率，保持了USB接口的高速性，能满足一般的非大容量存储设备的需要。
5结语
使用单片机外加USB接口芯片开发USB接口，适用于为现有产品开发USB接口，能尽量避免对 原有电路及程序的修改，降低了开发成本和风险。在对速度要求不太高的情况下，可采用Ph ilips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，他特有的I2C接口设计可以减少与单片机的引脚连接 ，简化外围电路设计。虽然只有2根数据线负责数据的双向传输，但仍保证了较高的传输速 率，能满足一般的对速度要求不太高的设备的需要。
编辑：小宇
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