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嵌入USB控制器的51系列单片机EZ-USB的应用

主要介绍嵌入USB控制核的51系列单片机EZ-USB的特性及传输与控制机

理。该内核可帮助USB外设开发者完成USB协议中规定的80%～90%的通信工作,

是USB外设研制者的理想选择。文中还对使用不同的USB芯片组成的应用系统作

了比较。

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。

图1USB的层次拓扑图

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：1.5Mb/s（低速设备）、12Mb/s（中

速设备）和480Mb/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3ms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。

图2SIE的功能

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。

图3通用USB设备的组成结构

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