USB总线接口芯片CH371及其应用

    摘要：CH371是一种新型USB通用总线接口芯片。利用该芯片可在不了解任何USB协议或固件程序甚至驱动程序的情况下，轻松地将并口或串口产品升级到USB接口。文中介绍了该接口芯片的主要特点和引脚功能，给出了CH371与其它总线进行接口的几种应用电路，同时给出了CH371与MCS-51单片机的接口程序。

    关键词：USB  总线接口芯片  CH371  单片机

1 引言

CH371是一种USB总线通用接口芯片。该芯片具有8位数据总线以及读、写、片选控制线和中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP、MCU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，通过CH371的配套软件可提供简洁易用的操作接口，从而使其与本地端的单片机通讯就如同读写硬盘中的文件一样简单。由于CH371屏蔽了USB通讯中的所有协议，因而可在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接。在不需要了解任何USB协议或者固件程序甚于驱动程序的情况下，就可轻松地将并口、串口产品升级到USB接口。

    CH371的主要特点如下：

●屏蔽了USB协议，可在计算机应用层与本地端之间实现端对端的连接。

●具有单向数据流和请求加应答两种通讯模式，并支持伪中断。

●可自动完成USB配置过程，完全不需要本地端控制器作任何处理。

●采用标准的USB1.1接口，即插即用，D+引脚内置上接电阻。

●内置4个端点，支持USB的控制传输、批量传输、中断传输。

●带有通用Windows驱动程序，可提供设备级接口和应用层接口。

●具有通用本地8位数据总线，可用4线控制读选通、写选通、片选输入和中断输出。

●占用16个地址，可选择直接地址方式或者复用地址方式。

●内置输入输出缓冲区，能以中断方式通知本地端控制器传输数据。

●内置I2C主接口，因而应用层可以直接读写外挂的I2C从设备。

●在主控方式下可以提供16根据输入信号线或12根独立控制的输出信号线。

●内置上电复位电路，可提供高电平有效复位输出和低电平有效复位输出。

●内含可选的看门狗电路Watch-Dog，能为本地端控制器提供监控。

●具有DIP28、SOP28、DIP24、CHIP等多种封装形式。

2 引脚功能

CH371的引脚排列如图1所示，表1所列是其引脚功能。

表1 CH371的引脚功能

28脚封装 的引脚号	24脚封装 的引脚号	引脚名称	类  型	引  脚  说  明
28	24	VCC	电源	电源正端
12	9	GND	电源	接地
14	11	XI	输入	晶体振荡输入端，带偏置电阻
13	10	XO	输出	晶体振荡反相输出端
10	7	D+	双向	USB D+数据线，内置上拉电阻可控
11	8	D-	双向	USB D-数据线
9	6	OFF	输入	用于关闭D+上位电阻，高有效，带下拉
2215	1912	D7D0	双向	8位双向数据总线，带上拉，可直接输入和独立控制输出
4	4	RD	输入	读选通输入，低有效，带上拉，同时用于看门狗的清除输入
3	3	WR	输入	写选通输入，低有效，带上拉
27	23	CS	输入	片选输入，低有效，带下拉
2	2	ALE	输入	地址锁存使能，高有效，带上拉，在下降沿可锁存数据总线的复用地址
1	1	INT	输出	中断输出，传输成功，低有效
58	5部分支持	A3A0	双向	4位地址输入线，带上拉，可直接输入和独立控制输出
24	21	SCL	输出	I2C接口时钟线
23	20	SDA	双向	I2C接口数据线，开漏输出，带上拉
25	22	RST	输出	上电复位和看门狗复位，高有效
26	不支持	RST	输出	上电复位和看门狗复位，低有效

3 应用

3.1 与USB总线的连接

图2是CH371与USB总线的接口连接电路，CH371芯片可以直接使用USB总线的5V电源。电容C3和C4用于电源退耦；将电阻R1和R2串接在CH371与USB总线之间可进行阻抗匹配；晶振X1、电容C1和C2用于CH371芯片的时钟振荡电路。CH371芯片的SCL和SDA信号线可以直接连接I2C接口的从设备，如连接24COX器件以用来存储系统断电后不能丢失的重要数据，也可以存储身份识别数据、记费数据等，由于24COX中的数据只有计算机应用层才能够存取。

3.2 与单片机的接口电路

CH371芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接多种单片机、DSP和MCU。图3所示是CH371与MCS-51系列单片机的接口电路，CH371可通过D7～D0、RD、WR、CS、ALE直接挂接到AT89C51的系统总线上。连接ALE而不连接A3～A0则采用复用地址方式，连接A3～A0而不连接ALE则采用直接地址方式。当采用复用地址方式时，CH371的A3～A0脚空闲，此时可以参考主控方式将A3～A0用于LED驱动或状态输入等；当采用直接地址方式时，应该将CH371芯片的ALE引脚悬空或者接高电平，然后通过A3～A0直接输入地址。该电路中，CH371可向AT89C51提供上电复位信号RST。CH371的中断输出INT连接到U2的外部中断INTO，反相器U5用于简单的地址译码，SRAM器件62256的地址为8000H-FFFFH，CH371的地址为0000H-7FFFH（实际只需要16个地址）。

    3.3 主控方式应用

图4是CH371在主控方式下的应用电路。该电路实际是基于CH371的主控方式设计的8通道数据采集器。可以看出：包括CH371在内，该电路只用到了三个集成电路，并且不需要任何单片机、DSP、MCU等控制器。CH371芯片的双向引脚A3～A0应该设置为输出，其中A3用于以低电平启动模数转换，A2～A0用于选择采集通道，双向引脚D7～D0应该设置为输入，用于输入采集到的结果，CS、ALE用于输入采集状态。实际电路应该采用精确的参考电压，并添加辅助电路（如电源退耦电容等）。另外，也可以用自带多通道选择器的模数转换芯片来代替U6和U7，如8通道AD芯片MAX158等。

3.4 与单片机的接口程序

下面是U2（MCS-51单片机）与U1（CH371）的接口参考程序：

；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

；需要主程序定义的参数

；CH371_PAGE EQU 00H；CH371所在的页面地址，地址译码后自动片选

；CH371_SYSTEM EQU 02H；CH371系统功能设定寄存器的地址偏移

；CH371_CONFIG EQU 02H；CH371设备配置信息寄存器的地址偏移

；CH371_INT_SET EQU 06H；CH371中断数据设定寄存器的地址偏移

；CH371_STATUS EQU 06H；CH371传输状态信息寄存器的地址偏移

；CH371_LENGTH EQU 07H；CH371数据长度寄存器的地址偏移

；CH371_BUFFER EQU 08H；CH371O数据缓冲区的起始地址偏移

；SAVE_STATUS DATA 29H；保存传输状态信息，根据需要可选

；SAVE_LENGTH DATA 2AH；当前数据缓冲区中的长度，用于保存下传长度

；SAVE_BUFFER DATA 30H；数据缓冲区，用于保存接收到的下传数据

；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

；初始化子程序

；USE：ACC,DPTR

CH371_INIT:MOV DPH,#CH371_PAGE

；CH371所在的页面地址，地址译码后自动片选MOV DPL,#CH371_LENGTH；CH371数据长度寄存器的地址偏移

图3

    MOV A,#OFH

MOVX @DPTR,A；置上传数据长度寄存器为15，暂时没有数据上传

CLR A；尚未有数据下传

MOV SAVE_LENGTH,A；保存下传数据长度

SETB ITO；置外部信号为下降沿触发

CLR IEO；清中断标志

SETB PXO；置高优先级

SETB EXO；允许中断

RET

；上传数据子程序

；ENTRY:RO指向存放了准备上传数据的缓冲区，R7准备上传的数据长度0至8

；USE:ACC,B,R0,R7,DPTR

CH371_UPLOAD:MOV B,R7；将数据长度暂存到B中

MOV DPH,#CH371_PAGE；CH371所在的页面地址，地址译码后自动片选

MOV DPL,#CH371_BUFFER；CH371数据缓冲区的起始地址偏移

MOV A,R7；上传数据长度

JZ CH371_UPLOAD_O；数据长度为0则不必写入

CH371_UPLOAD_1:MOV A,@RO；读取一字节的数据

INC RO；指向下一个数据的地址

MOVX @DPTR,A；写到CH371的上传数据缓冲区

INC DPL

DJNZ R7,CH371_UPLOAD-1；继续读取上传数据直至结束

CH371_UPLOAD_0:MOV DPL,#CH371_LENGTH；CH371数据长度寄存器的地址偏移

MOV A,B

MOVX @DPTR,A；将本次数据的长度置入上传数据长度寄存器

RET

；中断服务子程序

；USE：堆栈6字节，工作寄存器组1的RO,R7

CH371_INTER:PUSH PSW；现场保护

CLR IEO；清中断标志，防止重复执行，对应于INTO中断

PUSH ACC

PUSH DPL

PUSH DPH

SETB RSO；PSW.3,切换至工作寄存器组1

MOV DPH,#CH371_PAGE；CH371所在的页面地址，地址译码后自动片选

MOV DPL,#CH371_STATUS；CH371传输状态信息寄存器的地址偏移

MOVX A,@DPTR；读取传输状态信息寄存器

MOV SAVE-STATUS,A；保存传输状态

MOV DPL,#CH371_LENGTH；CH371数据长度寄存器的地址偏移

JB ACC.0,CH371_INT_UP；传输状态信息寄存器位0为1，则指示上传完成

；是数据下传完成中断

MOVX A,@DPTR；读取下传数据长度寄存器

MOV SAVE_LENGTH,A；保持下传数据长度

JZ CH371_INT_RET ；下传数据长度为0，则直接退出中断

MOV DPL,#CH371_BUFFER；CH371数据缓冲区的起始地址偏移

MOV RO,#SAVE-BUFFER；单片机内部的数据缓冲区，用于存放下传数据

MOV R7,A ；用于读取数据的计数

CH371_INT_DOWN:MOVX A,@DPTR；读取一字节的下传数据

INC DPL ；指向下一个数据的地址

MOV @RO,A；保存到数据缓冲区

INC RO

DJNZ R7,CH371_INT_DOWN；继续读取下传数据直至结束

SJMP CH371_INT_RET ；接收完下传数据，退出中断

；是数据上传完成中断

CH371_INT_UP:MOV A,#0FH；15

MOVX @DPTR,A ；置上传数据长度寄存器为15，暂时没有后续数据

CH371_INT_RET: ；中断返回

POP DPH

POP DPL

POP ACC

POP PSW ；恢复寄存器并选择工作寄存器组0

RETI ；中断返回

；

；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

4 结束语

CH371芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接多种单片机、DSP、MCU等。可以预见，CH371将在USB产品设计中大显身手。