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。