詳解USB接口芯片原理及應用
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隨著計算機技術的快速發展，USB移動存儲設備的使用已經非常普遍，因此在一些需要轉存數據的設備、儀器上使用USB移動存儲設備接口的芯片便相繼產生了，CH375就是其中之一，它是一個USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。 在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU等控制器的系統總線上。在USB主機方式下，CH375還提供了串行通信方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU等相連接。CH375的USB主機方式支持各種常用的USB全速設備，外部單片機/DSP/MCU可以通過CH375按照相應的USB協議與USB設備通信。 CH375芯片內部結構 1 內部結構 CH375芯片內部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數據緩沖區、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸的協議處理器、通用的固件程序等。CH375芯片引腳排列如圖1所示。
▲ 圖1 CH375芯片引腳排列 2 內部物理端點 CH375芯片內部具有7個物理端點。端點0是默認端點，支持上傳和下傳，上傳和下傳緩沖區各是8B；端點1包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區各是8B，上傳端點的端點號是81H，下傳端點的端點號是01H；端點2包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區各是64B，上傳端點的端點號是82H，下傳端點的端點號是02H。 主機端點包括輸出端點和輸入端點，輸出和輸入緩沖區各是64B，主機端點與端點2合用同一組緩沖區，主機端點的輸出緩沖區就是端點2的上傳緩沖區，主機端點的輸入緩沖區就是端點2的下傳緩沖區。 其中，CH375的端點0、端點1、端點2只用于USB設備方式，在USB主機方式下只需要用到主機端點。 軟件接口 對于USB存儲設備的應用，CH375直接提供了數據塊的讀寫接口，以512b的物理扇區為基本讀寫單位，從而將USB存儲設備簡化為一種外部數據存儲器，單片機可以自由讀寫USB存儲設備中的數據，也可以自由定義其數據結構。 CH375以C語言子程序庫提供了USB存儲設備的文件級接口，這些應用層接口API包含了常用的文件級操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機程序中。 CH375的U盤文件級子程序庫具有以下特性：支持常用的FAT12、FAT16 和FAT32 文件系統，磁盤容量可達100GB以上，支持多級子目錄，支持8.3格式的大寫字母文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。 CH375的文件級接口API子程序需要大約600b的隨機存儲器RAM 作為緩沖區。所有API在調用后都有操作狀態返回，但不一定有應答數據。有關API參數的說明請參考CH375數據手冊。 CH375在單片機讀寫U盤中的電路原理圖 圖2給出了MCS-51單片機讀寫U盤的電路原理圖，如果CH375芯片的TXD引腳懸空或者沒有通過下接電阻接地，那么CH375工作于串口方式。在串口方式下，CH375只需要與單片機/DSP/MCU連接3個信號線，TXD引腳、RXD引腳以及INT#引腳，其他引腳都可以懸空。除了連接線較少之外，其他外圍電路與并口方式基本相同。由于INT#引腳和TXD 引腳在CH375復位期間只能提供微弱的高電平輸出電流，在進行較遠距離的連接時，為了避免INT#或者TXD在CH375復位期間受到干擾而導致單片機誤操作，可以在INT#引腳或者TXD引腳上加阻值為1～5kΩ的上拉電阻，以維持較穩定的高電平。在CH375芯片復位完成后，INT#引腳和TXD引腳將能夠提供5mA的高電平輸出電流或者5mA的低電平吸入電流。
圖2 MCS-51單片機讀寫U盤的電路原理圖 單片機讀寫U盤的接口 由于CH375內置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通信協議的固件，所以嵌入式系統的單片機可以通過CH375將U盤（USB閃存盤、USB外置硬盤）作為可移動的大容量存儲器。數據讀寫只需要幾條指令，而不需要詳細了解USB通信協議�！ ∪绻度胧较到y需要將USB存儲設備組織為文件系統，那么可以直接調用CH375文件級子程序庫提供的接口API，由子程序庫處理文件系統。 CH375主機USB-HOST的電路設計注意事項 某些USB設備帶電插入時常出現如下問題： ● CH375復位或者單片機復位（尤其是采用uP 監控電路的單片機系統）。 ● CH375或者單片機突然工作不正常，失去控制。 ● CH375芯片的工作電流突然增大并且持續如此，時間長了芯片發熱燙手。 出現上述問題時可參考如下解決方法： ● 給USB插座單獨供電，這樣，即使USB設備剛插上時存在電容充電過程，也不會影響單片機和CH375。變通方法是，將5V主電源分別通過兩個獨立的限流電感后（或者在PCB中電源線分開走），一組提供給CH375和單片機等，另一組提供給USB插座。 ● 在USB插座前串接限流電阻或者電感，并在USB插座電源上并聯儲能用的電解電容。如果用電感也可以限制電流突變，防止電源電壓突降，但是用電感在USB設備拔出后，容易在USB插座中產生過沖高壓，所以必須接儲能電容。（注意，在第一版CH375評估板的原理圖中已經標出USB插座的限流電阻R1為1Ω，建議將其換為阻值5Ω的電阻或者保險電阻） ● 其他臨時的解決方法（不推薦）：①在USB設備與USB插座之間加入USB延長線。②在主電源上并聯較大的儲能電容，在U盤剛插入時提供足夠的瞬時電能，減少對電源電壓的影響。 ● 參考目前計算機端的解決方法：USB端口的電源供給是通過保險電阻或者限流電感提供的，這些能夠限制瞬時電流。對于計算機前面板的USB端口，由于本身通過一段較長的連接導線，自然減弱了對主電源的影響，而且計算機的5V電源功率很大，連續供電電流都在20A以上，所以不易受影響。 |
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