轻松驾驭嵌入式USB设计--USB完全解决方案全新登场

USB接口在生活中随处可见，其主要优点有通信速度快、可靠性高、支持热插拨以及低成本。

此外由于易于使用，并可以取代电脑上的RS232接口，微软和英特尔电脑系统设计要求所有PC上必须有两个以上可以直接使用的USB接口，可见USB的使用越来越广泛。

USB协议

USB全称为通用串行总线，HOST为主机，是通过总线发起所有传输的系统；Device是与主机进行通信并且接收来自主机信息的外设设备；Hub是集线器，用来扩展USB主机接口，提供连接点和电源的设计；Pipe是管道，是逻辑上的抽象概念，指的是设备端上的端点和主机软件之间建立的虚拟的连接通道；ENDPOINT指的是设备端用作USB的数据和发送的存储器缓冲，包括IN端点和OUT端点。IN是USB主机读入读取数据的端点，OUT是USB主机写入数据的端点。Silicon Labs单片机上端点是用片上XRAM的FIFO实现的。在USB的网络协议中，每个USB的系统有且只有一个HOST，负责管理整个USB系统，HOST端有一个ROOT HUB，可以提供一个或多个USB下行端口，每个端口都可以通过USB Hub进行扩展，从而连接多个USB设备，最多可以扩展到127个，其拓扑结构如图1所示：

USB的传输指的是完成通信请求的过程；会话是到一个端点的发求过程；包即信息块；帧是建立在低速和全速总线上的1ms的时间单位。传输被划分为多个会话，而会话由包组成，USB主机通过将会话分配到帧进行传输，一个传输可以有多个帧。枚举是一个识别和指派一个独一无二的地址的行为，枚举过程使USB设备具有被热插拔的能力，USB主机一直检查总线上是否有新的设备接入，直到有一个USB设备被完全枚举完成，USB主机才开始与USB设备进行通信。因此USB主机可以枚举USB设备并与USB外围设备进行数据传输，管理USB总线，为USB设备提供电源，如一个全功耗主机给每个USB外设提供最大到500mA的电流，一些低功耗的USB主机只能给低功耗的USB外设提供最大到100mA的电流，除此之外USB外设也可以自己供电。而USB设备的作用是与USB主机传输数据，响应USB主机的标准请求，管理电源。

USB协议定义了四种传输类型：控制传输，块传输，中断传输和同步传输。控制传输是双向传输，通常数据量较小，其用途是传送命令请求，让USB主机识别和枚举外设，以及传送用户定义的请求。控制传输的传输速度是高速模式为15.8MB/s，全速模式832KB/s，低速模式24KB/s，任何USB外设都必须支持控制传输；块传输适用于大量数据传输应用，但不保证数据速率和延迟，只支持高速和全速USB外设，其传输速度为高速模式53.2MB/s，全速模式1.2MB/s，通常应用于打印机、扫描仪、磁盘驱动器等等会有大块数据进行传输的设备；中断传输主要用于定时查询设备是否有中断数据传输，从而保证数据传输间隔的时间，高速模式为24.6MB/s，全速模式为64MB/s，低速模式为0.8KB/s，通常应用在键盘、鼠标、游戏手柄等传输要求数据量小但要定时传输的场合；同步传输是一种数据流实时传输的模式，由于这种模式中没有纠错环节，因此它可以保证传输速率和间隔时间但不保证数据的完整性，同步传输的最高速度为24.6MB/s，全速模式为1MB/s。

USB主机通过独特的标识符识别USB外设，VID（Vendor ID）是USB联盟给USB设备提供商分配的ID号，PID是USB设备提供商给自己产品分配的ID号，串行序列号是开发商或制造商给每个USB产品分配的号码，每个USB设备都有自己唯一的序列号。Silicon Labs公司唯一的VID是0x10C4，所有出厂产品都分配了一个PID，客户可以根据自己的需求联系Silicon Labs公司的相关人员为Silicon Labs的USB产品申请一个特别的PID。

USB定义了一套标准的设备类别从而实现不同系统平台间的互操作性。HID主要应用于键盘、鼠标、热量表、电压表等；大量存储主要用于可移动或不可移动的设备，如磁盘、硬盘、光盘以及U盘等；Audio主要应用在扬声器、麦克风、语音处理等；Communication Device Class主要是调制解调器、模拟或数字电话和以太网卡；Imaging的应用有数码相机、摄像机、网络摄像头；此外如IrDA、电源、打印机、SD卡等都有相应的类别。

Silicon Labs公司的USB解决方案

目前Silicon Labs公司的USB产品已经扩充到十五款，并且可以为客户提供相应的五种开发板，软件支持包括虚拟串行通讯接口驱动，USBXpress从传输类型的驱动层到源代码，常用类型的参考设计，以及第三方提供的工具等。图2所示的为Silicon Labs公司的所有USB解决方案。图中可以看到虚拟COM口很容易使用，不需要开发固件和驱动。同时Silicon Labs公司提供的驱动支持Windows，苹果和Linux等多个操作系统，并且通过了WHQL认证。USBXpress可以为用户提供简单灵活的开发途径，固件库文件以及Windows动态链接库，还可以处理所有USB复杂协议，简化了设备端的固件和主机侧的驱动开发。

CP210X系列包括CP2101、CP2102、CP2103，都是固定功能的USB到UART转接桥芯片，能为用户提供最快最简单的从RS232升级到USB的方法。其它混合信号带USB功能的MCU都是高速8051内核，最快可达48M的指令运行速度，全部都内置高精度的振荡器，不需要外加晶振，最高64K Flash的程序空间和5376Byte的RAM，17通道10位200Ksps的ADC，C86F340系列带有外部数据总线接口，支持在系统仿真编程，芯片内集成5V-3.3V的电压解调器，因此芯片的有效供电电压范围为2.7-5.25V。

USBXpress简化了USB的设计，为USB设备端的固件和主机侧的应用软件提供更高层的API，用户无需掌握USB协议的主机端的驱动专门技术即可实现USB的应用，而且该应用软件完全免费，并已取得Windows的设备驱动认证，支持Silicon Labs公司的所有产品。支持的操作系统有Windows98、Windows2000、WindowsXP，也支持其他操作系统。

Silicon Labs公司的十五款USB MCU产品适合全部的嵌入式应用，高性能的混合信号USB2.0使这些MCU可以很好的满足市场需求，而且全面的软件和硬件开发资源及参考设计加速了产品的开发周期。

ToolStick开发平台

ToolStick开发平台是Silicon Labs公司提供的一个低价位的MCU评估开发平台，它可以使MCU所有的引脚都可以引出，不同的MCU做在不同的子卡上，子卡即Daughter卡，开发不同的MCU即选择不同的子卡。图5所示的是一个完整的ToolStick工具，左边的Base Adapter可以与任何Silicon Labs的MCU进行通信，通过USB Debug接口和PC相连；右边的是Daughter卡，是MCU产品开发板，不同的MCU所用Daughter卡不同。Toolstick软件和安装方法可以在Silicon Labs公司的网站上找到，包括Silicon Labs的IDE，Keil公司2KB代码的评估板，C语言编译器，参考代码以及应用终端软件等等。

Toolstick开发平台将一个完成的开发系统包括在USBStick里，可以帮助工程师在现场演示如何使用Silicon Labs公司MCU，如何编程仿真和下载程序，Toolstick平台整个应用方法如图5所示，PC侧IDE通过Base Adapter仿真调试功能对子卡上的单片机进行在线调试，同时安装在PC侧的ToolStick终端软件可以通过Base Adapter上单片机的UART口、GPIO口跟子卡上的单片机的UART口、GPIO口进行通讯，数据的收发在这个软件上都可以显示出来。ToolStick插上PC以后，电源LED点亮，C8051F326执行的是USB调试器和跟USB通信的功能，调试的时候程序的运行和停止都会在Run，Stop LED显示出来，SocketConnector是和子卡相连的接口。

图6是C8051F330子卡的硬件图。其中包括两个LED，一个指示MCU的3.3V供电是否正常，另一个接在P1.39上给客户作实验用；IDIC输出侧接电阻，将电流信号转换成电压，通过转动电位器可以给ADC输入0-3.3V之间的电压。C8051F330所有的I/O口都可以引出的，更方便客户的测试和实验。

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问答选编
问：为任何一个微控制器添加USB口，有没有最简单的通 用方案？
答：最简单的方案就是，使用Silicon Labs公司的CP210x系 列产品，不需要做USB的软件开发，直接将UART口转 变成USB接口。

问：以往的USB实现，往往都是通过加一个芯片，一般都是 支持usb1.1，兼容usb2.0，请问本产品的特点在哪里？
答：Silicon Labs公司的单片机将USB2.0的功能集成到单 片机上，使系统方案更加简洁、可靠。在手持设备上使用 的话，单芯片的优势更加明显。

问：我们设计的智能设备用于电力系统，原设计是每相用一 个F310的UART接口，三相的三个接口通过串行总线 接口一个汇总的UART接口（第4个UART），通过第4 个接口对外部通信，请问如果用F340等芯片的USB接 口可以吗？有没有更好的方案？
答：通过F340的USB接口可以完成跟外部通信的任务，另 外F340的2个UART口也可以完成2相的通信，还需 要软件模拟一个UART口。

问： C8051F34x MCU进行A/D转换时，可以实时把转换后 的数据传输到PC吗? 有多长的延迟时间呢？
答：可以。使用中断，可以快很多。关于这个问题，还得看你 F34X里的任务和软件代码，还有PC机侧的响应时间(中 断、定时、轮询、任务多少)。

问：在应用方面，协议中是不是要同时用到几种传输模式？ 控制传输是不是必需用到的？
答：对，每种USB的传输模式中，都会有控制传输。其他的 传输类别，可以根据你的应用来选择。

问：把传统的USB主控移植到嵌入式装置中，需要理清的 问题是不是比较多？
答：不会，使用SILICON LABS的USB可以省掉很多麻烦。 在MCU或PC机侧，我们都有USBEXPRESS、VCP等等 驱动程序来支持。实际上与USB接口有关的东西，你们 的应用程序基本上是不会涉及的。

问：采用USB方案实现实时数据采集的最高采集信号频率 能到多少？应该如何考虑系统的优化和抗干扰问题？
答：这个取决于需要通过USB传输有关信号的信息的频 率。当带有USB中断管道时，仅仅1ms发送一次请求， 这种情况需要考虑到MCU在多个周期内取样一次外部 信号。

我们的USB案例是基于降低端点1USB路径花费的时 间量而优化的，对于其他MCU任务将会考虑最大时间量。

问：两个问题，首先是调试时，有时需要将JTAG或两线接口 和目标板电气隔离，能否用光电隔离的办法(如6N137)， 能否提供解决方案？第二，不用KEIL时，不能进行软仿 真，能否增添此方面的功能？

答：第一个问题，只要隔离是双向的并且支持高达几百KHz 的速度，使用隔离器就是安全的。
第二个问题，Keil是为Silicon Labs的MCU提供仿真器 的唯一厂商。我们的MCU具有实时硬件调试的性能，因 此典型应用我们推荐使用在实际硬件上调试。这样可以 提供更高精度的仿真，目前没有计划增加仿真器支持Sili - con Labs IDE。

问：在使用USB/UART桥接方案的时候，经常会出现UART 找不到的问题，请问一般是由哪些原因造成的？
答：如果一个器件操作已经打开，则PC无法找到CP210x。 如果一个PC应用已经打开一个操作，并且器件没有连 接到PC，但是这个操作也不会被关闭，器件也不能被检 测到。PC应用时，必须在器件重新连接之前关闭操作。

问：块传输中的HIGH SPEED能达到53.2Mbyte/sec，这已 经接近USB2.0理论上的极限值了，能否实现这个速度的 传输？与哪些因素有关?
答：Silicon Labs的MCU不支持高速，仅仅可以支持USB 全 速（48 MHz时钟速度）和USB 低速（6 MHz时钟）。保持 固件路径小是达到高吞吐率的一个要求，除非是在必要 情况下，数据不可以在不同的存储空间移动。

问：C8051F340芯片功耗怎样，能用于低功耗手持式便携仪 器吗？
答：C8051F340 MCU的功耗量示于数据手册的表3.1（33 页）。如果器件仅仅用于USB传输，可以将其设置在低 功耗模式，这样当不用USB传输时几乎不需要电流。当 与PC相连接时，可以从USB主机获取电源，如果MCU 用于采集数据或其他功能，振荡器可以配置成低速运行 从而降低功耗。此外为了实现低功耗，还有一个片上低 频率振荡器。

问：不同速率的USB设备互联，会出现什么问题？常常遇 到USB设备能检测到，但是不能识别，是信号完整性的 问题吗？有没有很好的解决办法？
答：首先是USB集线器和USB主机支持连接不同速率的 USB设备（全速USB或高速USB），而一些USB集线器 仅仅可以在USB全速模式下工作。其次，如果PC可以 检测到一个设备，但是不能识别，可能USB描述符或者 信号集成存在问题。推荐先使用USB分析器检查USB 枚举结果，如果枚举正确，再检查信号集成。