隨著USB技術的快速發展以及USB外設在越來越多場合的廣泛應用，支持USB接口技術的芯片也越來越多。對于USB接口的設計，如非擴展之用，選用帶有ＭＣＵ的USB控制器當然是設計師們的首選，因為這樣不僅可以大大簡化硬件電路、減小外設體積，而且還可以提高產品的可靠性。文中介紹的C8051F320就是順應這種需求而推出的一種新型USB控制器芯片。

１ C8051F320的主要特點

C8051F320是Cygnal公司推出的一款具有全速USB功能的混合信號flash微控制器芯片，該器件內部集成有２３０４ Byte RAM和１６ｋ Byte的flash存儲器。實際上，C8051F320是一個完整的小型片上系統（ＳｏＣ）。由于利用該芯片進行設計時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型USB應用的理想選擇。與其它同類產品相比，C8051F320主要具有如下一些特點：

●全速的USB ２．０功能控制器；

●內部集成了時鐘恢復電路，且不需要外接晶體振蕩器；

●可支持８個USB端點；

●帶有１ｋ字節的USB緩沖存儲器；

●內部集成了USB接口的數據收發器，設計中無需外部上拉電阻；

●具有高速增強型８０５１ ＭＣＵ內核，該ＭＣＵ內核采用流水線式指令結構，７０％的指令執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，處理速度可達２５ＭＩＰＳ（時鐘頻率為２５ＭＨｚ時）。

此外，C8051F320還有許多其它特性，如支持在系統編程（ＩＳＰ），帶有可編程的數字Ｉ／Ｏ和數字交叉開關，可提供全速、非侵入式的在系統片內調試電路等。

２ C8051F320的引腳功能

C8051F320的引腳排列如圖１所示。主要引腳的功能如下：

Ｄ＋、Ｄ－：USB電纜的USB Ｄ＋和USB Ｄ－連接端；

ＶＤＤ：２．７～３．６Ｖ片上電源輸入端或片內電壓調節器的３．３Ｖ輸出端；

ＲＥＧＩＮ：片內電壓調節器的５Ｖ輸入端；

ＶＢＵＳ：USB電纜ＶＢＵＳ引線的感應輸入端，當該腳出現５Ｖ高電平信號時，表示該設備已經和主機連接好；

ＲＳＴ／Ｃ２ＣＫ：多功能引腳，內部上電復位ＰＯＲ（Ｐｏｗｅｒ Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ）和ＶＤＤ監視器的漏極開路輸出，使該腳保持低電平１５μｓ以上可對系統進行一次復位。此外，該腳還可作為Ｃ２接口的時鐘信號輸入端；

Ｐ３．０／Ｃ２Ｄ：多功能引腳，可作為Ｉ／Ｏ端口或Ｃ２接口的雙向數據信號傳輸端口。

３　應用舉例

筆者以C8051F320為核心設計了一個USB和ＣＡＮ總線的接口轉換模塊，運用該接口轉換模塊可以方便地把具有USB接口的測控設備連接到一個ＣＡＮ總線測控網絡中，以對系統的運行狀況進行系統和整體的測試和分析。在該接口轉換模塊的設計中，最主要的工作就是USB接口部分的設計，包括硬件電路和固件程序的設計。

３．１ USB 接口硬件電路設計

由于C8051F320微控制器具有簡單易用的特點，因此，用C8051F320進行USB接口的硬件設計也顯得十分簡單，主要包括兩部分的內容，一是接口轉換模塊供電方式的選擇，二是USB引腳的連接，圖２是其USB接口電路圖。

由于整個模塊的功率估計在３Ｗ左右，而USB總線的供電量只適合小功率模塊的供電，最大也只有５００ｍＡ，因此不能滿足整個模塊的安全供電，所以模塊選擇自供電模式，圖２所示的整個模塊（包括C8051F320和模塊中所有其它部分）的供電電源都來自外部５Ｖ電源。由于C8051F320中的USB收發器內部集成了上拉電阻，因而不需要任何外部器件便可直接與USB接口相連。

３．２ USB固件程序設計

USB固件程序設計是USB接口部分的主要工作，它的主要目的是：當USB設備連接到主機上時，主機可以發現新設備，然后建立連接并完成數據傳輸任務，也就是能夠讓Ｗｉｎｄｏｗｓ正常檢測和識別USB設備。因此在USB固件程序中，最重要的工作就是USB描述符的定義和USB傳輸中斷的處理。

（１）USB描述符

USB描述符是USB協議定義的一套描述設備功能和屬性的固定結構的描述語言。USB２．０中的描述符包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等８種標準描述符和其它一些非標準描述符。USB主機通過USB描述符完成設備類型的識別和配置，同時為設備提供相應的客戶端驅動程序，運行于USB協議棧上層的客戶端驅動程序通過這些信息來正確訪問設備并與其通信，從而達到即插即用的目的。其中，配置中用到的兩個端點描述符如表１所列。

表1 端點描述

（２）USB中斷服務程序的編寫

當USB中斷到達時，C8051F320首先通過讀取USB功能控制器的三個中斷寄存器ＣＭＩＮＴ、ＩＮ１ＩＮＴ和ＯＵＴ１ＩＮＴ來判斷中斷來源（USB復位中斷、端點０中斷、端點１輸入中斷、端點２輸出中斷），然后根據不同的中斷來源跳入相應的處理模塊以進行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。

其中，端點０是每個USB設備都必須支持的默認控制傳輸端點，主要用于主機對USB設備的配置、狀態信息的獲取和設備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入兩部分組成。每次傳輸首先由設置事務開始，然后根據設置事務數據包中的USB標準命令請求判斷該次傳輸是控制輸入還是控制輸出。由于作用和地位的特殊性和重要性，端點０中斷處理模塊是一個最為復雜的中斷處理模塊。結合C8051F320端點０控制狀態寄存器Ｅ０ＣＳＲ的特點和應用的具體需求，圖３給出了該中斷處理模塊的流程圖，主要是對控制傳輸中設置事務的分析和處理。


    USB復位中斷的主要作用是將相關USB變量、寄存器和各端點的狀態恢復為初始狀態（需要注意的是：復位后，端點０為空閑狀態，端點１的 ＩＮ和端點２的ＯＵＴ為暫停狀態）。端點１輸入中斷和端點２輸出中斷均為批量傳輸中斷，其主要作用是在收到中斷時，在各自預先定義好的緩沖區中寫入要傳輸給主機的數據或取走主機傳輸過來的數據，實際上，這是C8051F320 讀寫USB緩沖區的過程。

４　結束語

隨著USB技術的日益成熟，越來越多的測控設備趨向于引入USB總線接口技術或者只提供USB外接接口，所以設計一種USB接口到測控網絡總線的接口轉換模塊非常必要。文中給出的這種USB和ＣＡＮ總線的接口轉換模塊就是立足于這類需要而進行的一項前期研究工作，該方案具有較強的實用性。