C8051F320在USB设计中的应用

摘要：C8051F320是Cygnal公司推出的一款新型USB微控制器芯片。该器件具有较快的处理速度和较大的存储容量，并且具有在系统可编程的功能，是USB接口设计的理想选择。文中介绍了C8051F320的特点和引脚功能，并以一个USB-CAN接口转换模块为例介绍了USB接口的软硬件设计。 关键词：C8051F320；USB；USB描述符；固件 随着ＵＳＢ技术的快速发展以及ＵＳＢ外设在越来越多场合的广泛应用，支持ＵＳＢ接口技术的芯片也越来越多。对于ＵＳＢ接口的设计，如非扩展之用，选用带有ＭＣＵ的ＵＳＢ控制器当然是设计师们的首选，因为这样不仅可以大大简化硬件电路、减小外设体积，而且还可以提高产品的可靠性。文中介绍的Ｃ８０５１Ｆ３２０就是顺应这种需求而推出的一种新型ＵＳＢ控制器芯片。 １ Ｃ８０５１Ｆ３２０的主要特点 Ｃ８０５１Ｆ３２０是Ｃｙｇｎａｌ公司推出的一款具有全速ＵＳＢ功能的混合信号ｆｌａｓｈ微控制器芯片，该器件内部集成有２３０４ Ｂｙｔｅ ＲＡＭ和１６ｋ Ｂｙｔｅ的ｆｌａｓｈ存储器。实际上，Ｃ８０５１Ｆ３２０是一个完整的小型片上系统（ＳｏＣ）。 由于利用该芯片进行设计时可以不需要任何外部元件（包括电阻和晶振），因而是小型ＵＳＢ应用的理想选择。与其它同类产品相比，Ｃ８０５１Ｆ３２０主要具有如下一些特点： ●全速的ＵＳＢ ２．０功能控制器； ●内部集成了时钟恢复电路，且不需要外接晶体振荡器； ●可支持８个ＵＳＢ端点； ●带有１ｋ字节的ＵＳＢ缓冲存储器； ●内部集成了ＵＳＢ接口的数据收发器，设计中无需外部上拉电阻； ●具有高速增强型８０５１ ＭＣＵ内核，该ＭＣＵ内核采用流水线式指令结构，７０％的指令执行时间为一个或两个系统时钟周期，处理速度可达２５ＭＩＰＳ（时钟频率为２５ＭＨｚ时）。 此外，Ｃ８０５１Ｆ３２０还有许多其它特性，如支持在系统编程（ＩＳＰ），带有可编程的数字Ｉ／Ｏ和数字交叉开关，可提供全速、非侵入式的在系统片内调试电路等。 ２ Ｃ８０５１Ｆ３２０的引脚功能 Ｃ８０５１Ｆ３２０的引脚排列如图１所示。主要引脚的功能如下： Ｄ＋、Ｄ－：ＵＳＢ电缆的ＵＳＢ Ｄ＋和ＵＳＢ Ｄ－连接端； ＶＤＤ：２．７～３．６Ｖ片上电源输入端或片内电压调节器的３．３Ｖ输出端； ＲＥＧＩＮ：片内电压调节器的５Ｖ输入端； ＶＢＵＳ：ＵＳＢ电缆ＶＢＵＳ引线的感应输入端，当该脚出现５Ｖ高电平信号时，表示该设备已经和主机连接好； ＲＳＴ／Ｃ２ＣＫ：多功能引脚，内部上电复位ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）和ＶＤＤ监视器的漏极开路输出，使该脚保持低电平１５μｓ以上可对系统进行一次复位。此外，该脚还可作为Ｃ２接口的时钟信号输入端； Ｐ３．０／Ｃ２Ｄ：多功能引脚，可作为Ｉ／Ｏ端口或Ｃ２接口的双向数据信号传输端口。 ３　应用举例 笔者以Ｃ８０５１Ｆ３２０为核心设计了一个ＵＳＢ和ＣＡＮ总线的接口转换模块，运用该接口转换模块可以方便地把具有ＵＳＢ接口的测控设备连接到一个ＣＡＮ总线测控网络中，以对系统的运行状况进行系统和整体的测试和分析。 在该接口转换模块的设计中，最主要的工作就是ＵＳＢ接口部分的设计，包括硬件电路和固件程序的设计。 ３．１ ＵＳＢ 接口硬件电路设计 由于Ｃ８０５１Ｆ３２０微控制器具有简单易用的特点，因此，用Ｃ８０５１Ｆ３２０进行ＵＳＢ接口的硬件设计也显得十分简单，主要包括两部分的内容，一是接口转换模块供电方式的选择，二是ＵＳＢ引脚的连接，图２是其ＵＳＢ接口电路图。 由于整个模块的功率估计在３Ｗ左右，而ＵＳＢ总线的供电量只适合小功率模块的供电，最大也只有５００ｍＡ，因此不能满足整个模块的安全供电，所以模块选择自供电模式，图２所示的整个模块（包括Ｃ８０５１Ｆ３２０和模块中所有其它部分）的供电电源都来自外部５Ｖ电源。由于Ｃ８０５１Ｆ３２０中的ＵＳＢ收发器内部集成了上拉电阻，因而不需要任何外部器件便可直接与ＵＳＢ接口相连。 ３．２ ＵＳＢ固件程序设计 ＵＳＢ固件程序设计是ＵＳＢ接口部分的主要工作，它的主要目的是：当ＵＳＢ设备连接到主机上时，主机可以发现新设备，然后建立连接并完成数据传输任务，也就是能够让Ｗｉｎｄｏｗｓ正常检测和识别ＵＳＢ设备。因此在ＵＳＢ固件程序中，最重要的工作就是ＵＳＢ描述符的定义和ＵＳＢ传输中断的处理。 （１）ＵＳＢ描述符 ＵＳＢ描述符是ＵＳＢ协议定义的一套描述设备功能和属性的固定结构的描述语言。ＵＳＢ２．０中的描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等８种标准描述符和其它一些非标准描述符。ＵＳＢ主机通过ＵＳＢ描述符完成设备类型的识别和配置，同时为设备提供相应的客户端驱动程序，运行于ＵＳＢ协议栈上层的客户端驱动程序通过这些信息来正确访问设备并与其通信，从而达到即插即用的目的。其中，配置中用到的两个端点描述符如表１所列。 表1 端点描述 偏移量 域 大小 （字节） 端点描述符1 端点描述符2 数值 说明 数值 说明 0 bLength 1 0x07 描述符字节数 0x07 描述符字节数 1 bDescriptorType 1 0x05 端点描述符类型 0x05 端点描述符类型 2 bEndpointAddress 1 0x81 端点地址：端点1 IN 0x02 端点地址：端点2 OUT 3 bmAttributes 1 0x02 传输类型：批量传输 0x02 传输类型：批量传输 4 wMaxPacketSize 2 64 最大数据包64字节 64 最大数据包64字节 6 bInterval 1 0x05 / 0x05 / （２）ＵＳＢ中断服务程序的编写 当ＵＳＢ中断到达时，Ｃ８０５１Ｆ３２０首先通过读取ＵＳＢ功能控制器的三个中断寄存器ＣＭＩＮＴ、ＩＮ１ＩＮＴ和ＯＵＴ１ＩＮＴ来判断中断来源（ＵＳＢ复位中断、端点０中断、端点１输入中断、端点２输出中断），然后根据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。 其中，端点０是每个ＵＳＢ设备都必须支持的默认控制传输端点，主要用于主机对ＵＳＢ设备的配置、状态信息的获取和设备错误的纠正等，它的中断处理模块由控制输出和控制输入两部分组成。每次传输首先由设置事务开始，然后根据设置事务数据包中的ＵＳＢ标准命令请求判断该次传输是控制输入还是控制输出。由于作用和地位的特殊性和重要性，端点０中断处理模块是一个最为复杂的中断处理模块。结合Ｃ８０５１Ｆ３２０端点０控制状态寄存器Ｅ０ＣＳＲ的特点和应用的具体需求，图３给出了该中断处理模块的流程图，主要是对控制传输中设置事务的分析和处理。 图3 ＵＳＢ复位中断的主要作用是将相关ＵＳＢ变量、寄存器和各端点的状态恢复为初始状态（需要注意的是：复位后，端点０为空闲状态，端点１的 ＩＮ和端点２的ＯＵＴ为暂停状态）。端点１输入中断和端点２输出中断均为批量传输中断，其主要作用是在收到中断时，在各自预先定义好的缓冲区中写入要传输给主机的数据或取走主机传输过来的数据，实际上，这是Ｃ８０５１Ｆ３２０ 读写ＵＳＢ缓冲区的过程。 ４　结束语 随着ＵＳＢ技术的日益成熟，越来越多的测控设备趋向于引入ＵＳＢ总线接口技术或者只提供ＵＳＢ外接接口，所以设计一种ＵＳＢ接口到测控网络总线的接口转换模块非常必要。文中给出的这种ＵＳＢ和ＣＡＮ总线的接口转换模块就是立足于这类需要而进行的一项前期研究工作，该方案具有较强的实用性。