USB接口在生活中隨處可見，其主要優(yōu)點有通信速度快、可靠性高、支持熱插撥以及低成本。

此外由于易于使用，并可以取代電腦上的RS232接口，微軟和英特爾電腦系統(tǒng)設(shè)計要求所有PC上必須有兩個以上可以直接使用的USB接口，可見USB的使用越來越廣泛。

USB協(xié)議

USB全稱為通用串行總線，HOST為主機，是通過總線發(fā)起所有傳輸?shù)南到y(tǒng)；Device是與主機進行通信并且接收來自主機信息的外設(shè)設(shè)備；Hub是集線器，用來擴展USB主機接口，提供連接點和電源的設(shè)計；Pipe是管道，是邏輯上的抽象概念，指的是設(shè)備端上的端點和主機軟件之間建立的虛擬的連接通道；ENDPOINT指的是設(shè)備端用作USB的數(shù)據(jù)和發(fā)送的存儲器緩沖，包括IN端點和OUT端點。IN是USB主機讀入讀取數(shù)據(jù)的端點，OUT是USB主機寫入數(shù)據(jù)的端點。Silicon Labs單片機上端點是用片上XRAM的FIFO實現(xiàn)的。在USB的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個USB的系統(tǒng)有且只有一個HOST，負責(zé)管理整個USB系統(tǒng)，HOST端有一個ROOT HUB，可以提供一個或多個USB下行端口，每個端口都可以通過USB Hub進行擴展，從而連接多個USB設(shè)備，最多可以擴展到127個，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

USB的傳輸指的是完成通信請求的過程；會話是到一個端點的發(fā)求過程；包即信息塊；幀是建立在低速和全速總線上的1ms的時間單位。傳輸被劃分為多個會話，而會話由包組成，USB主機通過將會話分配到幀進行傳輸，一個傳輸可以有多個幀。枚舉是一個識別和指派一個獨一無二的地址的行為，枚舉過程使USB設(shè)備具有被熱插拔的能力，USB主機一直檢查總線上是否有新的設(shè)備接入，直到有一個USB設(shè)備被完全枚舉完成，USB主機才開始與USB設(shè)備進行通信。因此USB主機可以枚舉USB設(shè)備并與USB外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，管理USB總線，為USB設(shè)備提供電源，如一個全功耗主機給每個USB外設(shè)提供最大到500mA的電流，一些低功耗的USB主機只能給低功耗的USB外設(shè)提供最大到100mA的電流，除此之外USB外設(shè)也可以自己供電。而USB設(shè)備的作用是與USB主機傳輸數(shù)據(jù)，響應(yīng)USB主機的標(biāo)準(zhǔn)請求，管理電源。

USB協(xié)議定義了四種傳輸類型：控制傳輸，塊傳輸，中斷傳輸和同步傳輸?？刂苽鬏斒请p向傳輸，通常數(shù)據(jù)量較小，其用途是傳送命令請求，讓USB主機識別和枚舉外設(shè)，以及傳送用戶定義的請求。控制傳輸?shù)膫鬏斔俣仁歉咚倌Ｊ綖?5.8MB/s，全速模式832KB/s，低速模式24KB/s，任何USB外設(shè)都必須支持控制傳輸；塊傳輸適用于大量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，但不保證數(shù)據(jù)速率和延遲，只支持高速和全速USB外設(shè)，其傳輸速度為高速模式53.2MB/s，全速模式1.2MB/s，通常應(yīng)用于打印機、掃描儀、磁盤驅(qū)動器等等會有大塊數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)脑O(shè)備；中斷傳輸主要用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)傳輸間隔的時間，高速模式為24.6MB/s，全速模式為64MB/s，低速模式為0.8KB/s，通常應(yīng)用在鍵盤、鼠標(biāo)、游戲手柄等傳輸要求數(shù)據(jù)量小但要定時傳輸?shù)膱龊?；同步傳輸是一種數(shù)據(jù)流實時傳輸?shù)哪Ｊ剑捎谶@種模式中沒有糾錯環(huán)節(jié)，因此它可以保證傳輸速率和間隔時間但不保證數(shù)據(jù)的完整性，同步傳輸?shù)淖罡咚俣葹?4.6MB/s，全速模式為1MB/s。

USB主機通過獨特的標(biāo)識符識別USB外設(shè)，VID（Vendor ID）是USB聯(lián)盟給USB設(shè)備提供商分配的ID號，PID是USB設(shè)備提供商給自己產(chǎn)品分配的ID號，串行序列號是開發(fā)商或制造商給每個USB產(chǎn)品分配的號碼，每個USB設(shè)備都有自己唯一的序列號。Silicon Labs公司唯一的VID是0x10C4，所有出廠產(chǎn)品都分配了一個PID，客戶可以根據(jù)自己的需求聯(lián)系Silicon Labs公司的相關(guān)人員為Silicon Labs的USB產(chǎn)品申請一個特別的PID。

USB定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備類別從而實現(xiàn)不同系統(tǒng)平臺間的互操作性。HID主要應(yīng)用于鍵盤、鼠標(biāo)、熱量表、電壓表等；大量存儲主要用于可移動或不可移動的設(shè)備，如磁盤、硬盤、光盤以及U盤等；Audio主要應(yīng)用在揚聲器、麥克風(fēng)、語音處理等；Communication Device Class主要是調(diào)制解調(diào)器、模擬或數(shù)字電話和以太網(wǎng)卡；Imaging的應(yīng)用有數(shù)碼相機、攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像頭；此外如IrDA、電源、打印機、SD卡等都有相應(yīng)的類別。

Silicon Labs公司的USB解決方案

目前Silicon Labs公司的USB產(chǎn)品已經(jīng)擴充到十五款，并且可以為客戶提供相應(yīng)的五種開發(fā)板，軟件支持包括虛擬串行通訊接口驅(qū)動，USBXpress從傳輸類型的驅(qū)動層到源代碼，常用類型的參考設(shè)計，以及第三方提供的工具等。圖2所示的為Silicon Labs公司的所有USB解決方案。圖中可以看到虛擬COM口很容易使用，不需要開發(fā)固件和驅(qū)動。同時Silicon Labs公司提供的驅(qū)動支持Windows，蘋果和Linux等多個操作系統(tǒng)，并且通過了WHQL認(rèn)證。USBXpress可以為用戶提供簡單靈活的開發(fā)途徑，固件庫文件以及Windows動態(tài)鏈接庫，還可以處理所有USB復(fù)雜協(xié)議，簡化了設(shè)備端的固件和主機側(cè)的驅(qū)動開發(fā)。

CP210X系列包括CP2101、CP2102、CP2103，都是固定功能的USB到UART轉(zhuǎn)接橋芯片，能為用戶提供最快最簡單的從RS232升級到USB的方法。其它混合信號帶USB功能的MCU都是高速8051內(nèi)核，最快可達48M的指令運行速度，全部都內(nèi)置高精度的振蕩器，不需要外加晶振，最高64K Flash的程序空間和5376Byte的RAM，17通道10位200Ksps的ADC，C86F340系列帶有外部數(shù)據(jù)總線接口，支持在系統(tǒng)仿真編程，芯片內(nèi)集成5V-3.3V的電壓解調(diào)器，因此芯片的有效供電電壓范圍為2.7-5.25V。

USBXpress簡化了USB的設(shè)計，為USB設(shè)備端的固件和主機側(cè)的應(yīng)用軟件提供更高層的API，用戶無需掌握USB協(xié)議的主機端的驅(qū)動專門技術(shù)即可實現(xiàn)USB的應(yīng)用，而且該應(yīng)用軟件完全免費，并已取得Windows的設(shè)備驅(qū)動認(rèn)證，支持Silicon Labs公司的所有產(chǎn)品。支持的操作系統(tǒng)有Windows98、Windows2000、WindowsXP，也支持其他操作系統(tǒng)。

Silicon Labs公司的十五款USB MCU產(chǎn)品適合全部的嵌入式應(yīng)用，高性能的混合信號USB2.0使這些MCU可以很好的滿足市場需求，而且全面的軟件和硬件開發(fā)資源及參考設(shè)計加速了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

ToolStick開發(fā)平臺

ToolStick開發(fā)平臺是Silicon Labs公司提供的一個低價位的MCU評估開發(fā)平臺，它可以使MCU所有的引腳都可以引出，不同的MCU做在不同的子卡上，子卡即Daughter卡，開發(fā)不同的MCU即選擇不同的子卡。圖5所示的是一個完整的ToolStick工具，左邊的Base Adapter可以與任何Silicon Labs的MCU進行通信，通過USB Debug接口和PC相連；右邊的是Daughter卡，是MCU產(chǎn)品開發(fā)板，不同的MCU所用Daughter卡不同。Toolstick軟件和安裝方法可以在Silicon Labs公司的網(wǎng)站上找到，包括Silicon Labs的IDE，Keil公司2KB代碼的評估板，C語言編譯器，參考代碼以及應(yīng)用終端軟件等等。

Toolstick開發(fā)平臺將一個完成的開發(fā)系統(tǒng)包括在USBStick里，可以幫助工程師在現(xiàn)場演示如何使用Silicon Labs公司MCU，如何編程仿真和下載程序，Toolstick平臺整個應(yīng)用方法如圖5所示，PC側(cè)IDE通過Base Adapter仿真調(diào)試功能對子卡上的單片機進行在線調(diào)試，同時安裝在PC側(cè)的ToolStick終端軟件可以通過Base Adapter上單片機的UART口、GPIO口跟子卡上的單片機的UART口、GPIO口進行通訊，數(shù)據(jù)的收發(fā)在這個軟件上都可以顯示出來。ToolStick插上PC以后，電源LED點亮，C8051F326執(zhí)行的是USB調(diào)試器和跟USB通信的功能，調(diào)試的時候程序的運行和停止都會在Run，Stop LED顯示出來，SocketConnector是和子卡相連的接口。

圖6是C8051F330子卡的硬件圖。其中包括兩個LED，一個指示MCU的3.3V供電是否正常，另一個接在P1.39上給客戶作實驗用；IDIC輸出側(cè)接電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓，通過轉(zhuǎn)動電位器可以給ADC輸入0-3.3V之間的電壓。C8051F330所有的I/O口都可以引出的，更方便客戶的測試和實驗。

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問答選編
問：為任何一個微控制器添加USB口，有沒有最簡單的通 用方案？
答：最簡單的方案就是，使用Silicon Labs公司的CP210x系 列產(chǎn)品，不需要做USB的軟件開發(fā)，直接將UART口轉(zhuǎn) 變成USB接口。

問：以往的USB實現(xiàn)，往往都是通過加一個芯片，一般都是 支持usb1.1，兼容usb2.0，請問本產(chǎn)品的特點在哪里？
答：Silicon Labs公司的單片機將USB2.0的功能集成到單 片機上，使系統(tǒng)方案更加簡潔、可靠。在手持設(shè)備上使用 的話，單芯片的優(yōu)勢更加明顯。

問：我們設(shè)計的智能設(shè)備用于電力系統(tǒng)，原設(shè)計是每相用一 個F310的UART接口，三相的三個接口通過串行總線 接口一個匯總的UART接口（第4個UART），通過第4 個接口對外部通信，請問如果用F340等芯片的USB接 口可以嗎？有沒有更好的方案？
答：通過F340的USB接口可以完成跟外部通信的任務(wù)，另 外F340的2個UART口也可以完成2相的通信，還需 要軟件模擬一個UART口。

問： C8051F34x MCU進行A/D轉(zhuǎn)換時，可以實時把轉(zhuǎn)換后 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C嗎? 有多長的延遲時間呢？
答：可以。使用中斷，可以快很多。關(guān)于這個問題，還得看你 F34X里的任務(wù)和軟件代碼，還有PC機側(cè)的響應(yīng)時間(中 斷、定時、輪詢、任務(wù)多少)。

問：在應(yīng)用方面，協(xié)議中是不是要同時用到幾種傳輸模式？ 控制傳輸是不是必需用到的？
答：對，每種USB的傳輸模式中，都會有控制傳輸。其他的 傳輸類別，可以根據(jù)你的應(yīng)用來選擇。

問：把傳統(tǒng)的USB主控移植到嵌入式裝置中，需要理清的 問題是不是比較多？
答：不會，使用SILICON LABS的USB可以省掉很多麻煩。 在MCU或PC機側(cè)，我們都有USBEXPRESS、VCP等等 驅(qū)動程序來支持。實際上與USB接口有關(guān)的東西，你們 的應(yīng)用程序基本上是不會涉及的。

問：采用USB方案實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集的最高采集信號頻率 能到多少？應(yīng)該如何考慮系統(tǒng)的優(yōu)化和抗干擾問題？
答：這個取決于需要通過USB傳輸有關(guān)信號的信息的頻 率。當(dāng)帶有USB中斷管道時，僅僅1ms發(fā)送一次請求， 這種情況需要考慮到MCU在多個周期內(nèi)取樣一次外部 信號。

我們的USB案例是基于降低端點1USB路徑花費的時 間量而優(yōu)化的，對于其他MCU任務(wù)將會考慮最大時間量。

問：兩個問題，首先是調(diào)試時，有時需要將JTAG或兩線接口 和目標(biāo)板電氣隔離，能否用光電隔離的辦法(如6N137)， 能否提供解決方案？第二，不用KEIL時，不能進行軟仿 真，能否增添此方面的功能？

答：第一個問題，只要隔離是雙向的并且支持高達幾百KHz 的速度，使用隔離器就是安全的。
第二個問題，Keil是為Silicon Labs的MCU提供仿真器 的唯一廠商。我們的MCU具有實時硬件調(diào)試的性能，因 此典型應(yīng)用我們推薦使用在實際硬件上調(diào)試。這樣可以 提供更高精度的仿真，目前沒有計劃增加仿真器支持Sili - con Labs IDE。

問：在使用USB/UART橋接方案的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)UART 找不到的問題，請問一般是由哪些原因造成的？
答：如果一個器件操作已經(jīng)打開，則PC無法找到CP210x。 如果一個PC應(yīng)用已經(jīng)打開一個操作，并且器件沒有連 接到PC，但是這個操作也不會被關(guān)閉，器件也不能被檢 測到。PC應(yīng)用時，必須在器件重新連接之前關(guān)閉操作。

問：塊傳輸中的HIGH SPEED能達到53.2Mbyte/sec，這已 經(jīng)接近USB2.0理論上的極限值了，能否實現(xiàn)這個速度的 傳輸？與哪些因素有關(guān)?
答：Silicon Labs的MCU不支持高速，僅僅可以支持USB 全 速（48 MHz時鐘速度）和USB 低速（6 MHz時鐘）。保持 固件路徑小是達到高吞吐率的一個要求，除非是在必要 情況下，數(shù)據(jù)不可以在不同的存儲空間移動。

問：C8051F340芯片功耗怎樣，能用于低功耗手持式便攜儀 器嗎？
答：C8051F340 MCU的功耗量示于數(shù)據(jù)手冊的表3.1（33 頁）。如果器件僅僅用于USB傳輸，可以將其設(shè)置在低 功耗模式，這樣當(dāng)不用USB傳輸時幾乎不需要電流。當(dāng) 與PC相連接時，可以從USB主機獲取電源，如果MCU 用于采集數(shù)據(jù)或其他功能，振蕩器可以配置成低速運行 從而降低功耗。此外為了實現(xiàn)低功耗，還有一個片上低 頻率振蕩器。

問：不同速率的USB設(shè)備互聯(lián)，會出現(xiàn)什么問題？常常遇 到USB設(shè)備能檢測到，但是不能識別，是信號完整性的 問題嗎？有沒有很好的解決辦法？
答：首先是USB集線器和USB主機支持連接不同速率的 USB設(shè)備（全速USB或高速USB），而一些USB集線器 僅僅可以在USB全速模式下工作。其次，如果PC可以 檢測到一個設(shè)備，但是不能識別，可能USB描述符或者 信號集成存在問題。推薦先使用USB分析器檢查USB 枚舉結(jié)果，如果枚舉正確，再檢查信號集成。