基于嵌入式技術(shù)的單芯片USB解決方案

（文章來(lái)源：電子工程網(wǎng)）

USB技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從最初應(yīng)用為一種連接外設(shè)和PC的方法經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)足的發(fā)展。USB標(biāo)準(zhǔn)的靈活性和適應(yīng)性，加上目前流行的基于USB的存儲(chǔ)設(shè)備和音樂(lè)播放器，激發(fā)了許多不是基于PC的嵌入式系統(tǒng)紛紛采用USB?，F(xiàn)在，從電視機(jī)和機(jī)頂盒等家庭娛樂(lè)設(shè)備，到智能儀器、機(jī)器控制器、數(shù)碼標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和手持終端等工業(yè)應(yīng)用，各種嵌入式應(yīng)用都正在引入U(xiǎn)SB主機(jī)接口以提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/傳輸，媒體錄音重放以及其他接口能力。

當(dāng)把USB連接引入到一個(gè)現(xiàn)有的嵌入式應(yīng)用的時(shí)候，對(duì)于如何升級(jí)設(shè)計(jì)者現(xiàn)有的設(shè)計(jì)以支持USB，有多種選擇。一個(gè)選擇就是用一個(gè)具有內(nèi)部USB協(xié)議處理能力的設(shè)備替代它們現(xiàn)有的處理設(shè)備（CPU或微控制器）。這時(shí)用戶通常需要重新設(shè)計(jì)他們的硬件和軟件的核心部分以支持新的處理器。尤其是如果需要USB主機(jī)能力，則需要新的軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)和服務(wù)來(lái)處理設(shè)備枚舉之類的功能，支持不同的USB設(shè)備類和傳輸模式。對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品作這樣的重要變化，經(jīng)常是非常耗時(shí)并且代價(jià)不菲的。

另一種方法是使用一種現(xiàn)成的USB芯片方案，如英商飛特帝亞有限公司（FTDI）的Vinculum-II（VNC2）。Vinculum 是FTDI的嵌入式USB主/從控制器系列的名稱。最新發(fā)布的第二代芯片 VNC2是針對(duì)在嵌入式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)USB功能時(shí)的許多關(guān)鍵問(wèn)題而設(shè)計(jì)，并提供完整的單芯片USB解決方案。這款芯片的特點(diǎn)是有兩個(gè)獨(dú)立的可配置的USB 主/從接口，一個(gè)用戶可編程處理器核，具有多種靈活的接口以支持輕松集成到一個(gè)現(xiàn)有的嵌入式設(shè)計(jì)中。使用這種方案的好處在于設(shè)計(jì)者能夠重用其現(xiàn)有設(shè)計(jì)的核心部分，用最小的開(kāi)發(fā)成本和最快的上市時(shí)間支持增強(qiáng)的產(chǎn)品特征。

進(jìn)一步觀察VNC2的性能，該芯片有2個(gè)獨(dú)立的USB 2.0接口，提供USB主控端或從控端的連接，具有一個(gè)16位哈弗結(jié)構(gòu)CPU核，16K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器和258K字節(jié)的FLASH用于編程和固件存儲(chǔ)。由兩個(gè)嵌入式的USB主/從控制器以最小的內(nèi)部CPU負(fù)荷實(shí)現(xiàn)完整的USB協(xié)議處理。這樣解放了CPU核，使它可用于用戶處理功能?？刂破髦С?個(gè)主要的USB傳輸類型（控制、批處理、中斷和同步），因此可以支持廣泛的USB應(yīng)用。

除了USB接口，VNC2還支持一系列靈活的接口，使之能夠輕松的連接到其他的處理設(shè)備和外設(shè)。所支持的接口包括一個(gè)串行UART接口，用來(lái)連接到其它CPU或微控制器，一個(gè)高速FIFO接口，可用于比如一個(gè)ASIC或PLD（可編程邏輯器件）、SPI（串行外設(shè)接口）主從端口、以及8個(gè)PWM（脈沖寬度調(diào)制）通道之間傳輸數(shù)據(jù)以支持相關(guān)電路的控制。

MP3/音頻重放：運(yùn)行在VNC2上的固件代碼用于從USB存儲(chǔ)棒上讀取文件。音頻數(shù)據(jù)傳送個(gè)MP3解碼器用于音頻輸出，同時(shí)顯示屏用于圖像或視頻重放。Vinculum II軟件工具鏈具有與USB閃存接口和與顯示控制器和音頻編解碼SPI接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。通信：通過(guò)第二個(gè)可用的USB接口可以對(duì)應(yīng)用增加進(jìn)一步的功能。這里，通過(guò)適當(dāng)?shù)腢SB KEY可以增加通訊設(shè)備類（CDC）來(lái)支持藍(lán)牙，3G/GPRS通訊。

對(duì)于所有的嵌入式應(yīng)用，無(wú)論是采用電池供電還是市電供電的，電源消耗和管理都是關(guān)鍵問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)低耗電工作，VNC2支持各種低功耗模式。在典型的工作模式，CPU運(yùn)行在48MHz，VNC2芯片在1.8V核電壓僅消耗25mA（1.8V是從3.3V供電的芯片內(nèi)部產(chǎn)生的）。要進(jìn)一步降低功耗，可以首先通過(guò)降低CPU的工作頻率至24MHz或12MHz的方式，其次可采用通過(guò)軟件關(guān)閉芯片上不使用的接口的方式。另外還可使用設(shè)備掛起模式。在掛起模式下，VNC2僅消耗128uA電流。這些不同的功耗模式為用戶提供了設(shè)備功耗管理的優(yōu)良的增益控制，幫助嵌入式應(yīng)用獲取優(yōu)化的功耗性能。

在嵌入式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)USB主控功能需要采用類似的方法。集成了USB功能的嵌入式處理設(shè)備需要驅(qū)動(dòng)以支持枚舉和各種USB設(shè)備類型。有些情況下沒(méi)有完整的USB驅(qū)動(dòng)，需要用戶用盡開(kāi)發(fā)資源。還有一些特定的設(shè)備結(jié)構(gòu)，USB協(xié)議處理是由軟件實(shí)現(xiàn)的，要求設(shè)計(jì)者要么自己開(kāi)發(fā)要么購(gòu)買(mǎi)USB協(xié)議棧。這種方式除了開(kāi)發(fā)和版權(quán)的開(kāi)銷(xiāo)，USB接口性能也可能被運(yùn)行在設(shè)備CPU上的其他軟件進(jìn)程所限制。

Vinculum II軟件開(kāi)發(fā)工具套件允許用戶針對(duì)VNC2上的CPU處理器創(chuàng)建基于C的應(yīng)用程序。這個(gè)工具套件是封裝為一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），具有標(biāo)準(zhǔn)的代碼編譯，創(chuàng)建，調(diào)試和編輯功能。這個(gè)IDE可從FTDI免費(fèi)獲取，不需要許可證或版權(quán)費(fèi)用。

除了開(kāi)發(fā)工具，F(xiàn)TDI還開(kāi)發(fā)了一系列的預(yù)編譯固件鏡像文件。固件鏡像文件能包含通常的USB應(yīng)用相關(guān)的功能，比如對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備的管理和接口，音樂(lè)重放，與USB打印機(jī)，HUB和HID類型設(shè)備的接口。這些固件鏡像文件已經(jīng)可用于第一代Vinculum芯片VNC1L。預(yù)編譯固件鏡像文件提供一個(gè)備用的應(yīng)用程序，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以展開(kāi)它或直接用作一個(gè)引用來(lái)添加到他們自己的專用程序中。當(dāng)結(jié)合多種特征和前面提到的免費(fèi)的軟件開(kāi)發(fā)資源，VNC2為嵌入式應(yīng)用提供了一種有成本效益的完整的USB功能，同時(shí)通過(guò)把重新設(shè)計(jì)用戶現(xiàn)有設(shè)計(jì)的核心部分的工作量最小化，從而減少了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

許多的硬件平臺(tái)可用于支持采用FTDI VNC2 USB主/從芯片進(jìn)行USB應(yīng)用的原型和開(kāi)發(fā)。VNC2 USB主/從控制器有各種封裝形式可用，LQFP和QFN類型的封裝有32腳、48腳和64腳等多種選擇。
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