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引言
有關通用串行總線(USB)的文章通常從USB是個人電腦的一個新連接標準開始講起。謝天謝地現(xiàn)在不再需要如此做，因此本引言可以簡短地寫為：如果你有一個嵌入式系統(tǒng)并且想連到PC，主流的連接通道是USB。本文介紹了一款Maxim最新推出的芯片，MAX3420E，它可以很容易地把USB加入到任何系統(tǒng)中。本文主要著重于SPI接口，提供了實現(xiàn)通用SPI的C例程。最后給出了一個簡單的USB HID (人機接口設備) ― 基于Windows的應急按鈕程序。
為任何系統(tǒng)增加USB
微控制器(μC)的選擇通?；谒傻耐庠O。許多處理器集成了USB功能，但是大多數(shù)處理器，特別是一些低價位的處理器不含USB。有時，您可能選用了一個I/O和外設都很完美的微控制器，但它卻缺少USB。您是否希望只是添加USB功能而繼續(xù)使用當前的微控制器呢？利用Maxim的芯片MAX3420E，可以為任何處理器添加USB功能。MAX3420E集成了USB全速收發(fā)器、智能USB串行接口引擎(SIE)和一個可工作到26MHz時鐘的從SPI接口。MAX3420E的使用如同一個具有單個控制端點、兩個雙重緩沖的64字節(jié)數(shù)據(jù)端點和一個64字節(jié)的中斷端點的全速USB外設。
總線供電
圖1. USB供電
圖1是一個普通的USB外設結構。USB的VBUS電源線為3.3V穩(wěn)壓器提供5V輸入，該穩(wěn)壓器給微控制器和MAX3420E供電(無需墻上適配器)。SPI接口可以是3、4或5線。表1列出了5線接口。
表1. 使用3到5線的SPI接口
| Signal | MAX3420E Direction | Description |
| MOSI | In | SPI master out, slave in |
| MISO | Out | SPI master in, slave out |
| SCLK | In | Serial clock |
| SS# | In | Slave select |
| INT | Out | Interrupt (level or pulse) |
如果應用中不需要中斷(MAX3420E的中斷條件可以通過讀取寄存器直接檢測到)s，可以去掉INT引腳，得到一個4線接口。如果SPI主機具有雙向數(shù)據(jù)接口(MOSI/MISO)，則可以省掉另外一條接口線，這樣，沒有中斷、支持雙向通信的SPI接口只需要3個引腳。
如果微控制器沒有SPI接口怎么辦呢？沒問題，可以很容易地設計一個直接觸發(fā)GPIO的、固件形式的SPI主控器。USB的一個非常強的特性是自控流量能力，它自動配合SPI側的任何速度(它利用在USB側插入NAK握手來提示“忙，重試”)。很多USB外設，特別是與人接口的，即使與最低速的SPI接口都能應答自如。
如果圖1中的微控制器非常小，只有10腳以下怎么辦呢？難道就不能把這些珍貴的I/O口用來連USB芯片了？不，這就是為什么MAX3420E提供了四個通用輸出口和四個通用輸入口的原因，它們可以替代被用掉的處理器上的I/O口，事實上你的系統(tǒng)在接上MAX3420E后還得到了更多的口線。
大規(guī)模集成芯片
圖2. 只連接大規(guī)模集成芯片的少許引腳
MAX3420E不僅僅只限用于小系統(tǒng)。圖2說明了如何給一個ASIC，FPGA，DSP和其他大芯片增加USB功能。這樣做的一個明顯原因是大芯片沒有內(nèi)建的USB或內(nèi)部的USB不是正好符合你的所需。另一個原因是隨著工藝尺寸的縮小，這些大片子不能兼容USB所需的3.3V “高”壓，此時使用外部帶低壓SPI接口的USB芯片就是一個很好的方案。MAX3420E內(nèi)帶電平轉換器，VL腳設定接口電平的范圍，從1.7V到3.6V。
隔離USB
圖3. 隔離USB
如圖3所示，由于SPI接口信號是單向的，還很容易進行光隔。同時還可以設定較低的速率來支持廉價的光耦。
SPI接口
SPI (串行外設接口)是一個簡單的串行接口，它使用兩根數(shù)據(jù)線，一根串行時鐘和一個片選信號。SPI主控把SS#拉低來開始傳輸，然后驅動串行時鐘SCLK來把數(shù)據(jù)同步輸入和輸出從設備。SPI主控通過把SS#拉回到高電平，以終止傳輸。SPI接口有四種時鐘模式，反映了兩個信號CPOL (時鐘極性)和CPHA (時鐘相位)的兩個狀態(tài)。這兩信號以(CPOL, CPHA)的形式來表示?？梢宰C明一個接口利用正沿SCLK且在第一個正沿時鐘到來以前MOSI數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒可以工作在(0,0)和(1,1)模式而無需任何改變。這一屬性使MAX3420E無需額外的模式引腳設置，就可以工作在(0,0)或(1,1)模式。
圖4和圖5顯示了利用SPI模式在微控制器(MAXQ2000，隨后介紹)和MAX3420E之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖4所示為(0,0)模式，圖5所示為(1,1)模式。兩者的區(qū)別是SCLK信號的無效電平不同，(0,0)是低無效，(1,1)是高無效。
圖4. 工作在(0,0)模式的SPI接口
圖5. 工作在(1,1)模式的SPI接口
MAX3420E每次傳輸接收的第一個字節(jié)是命令字節(jié)。命令字節(jié)包含寄存器號和方向位，第二個字節(jié)和后續(xù)字節(jié)包含數(shù)據(jù)。在圖4和圖5中，移入命令字時，來自MAX3420E (MISO引腳)的8位數(shù)據(jù)是USB狀態(tài)位。此特性只在使用分離MISO和MOSI腳的接口中有效。
SPI代碼
編寫MAX3420E通用C代碼的竅門是把原始的最基本的SPI操作封裝到獨立的模塊中，然后針對不同的SPI接口的只需客戶化這一模塊。最基本的模塊只須做三件事：- 初始化SPI口
- 讀一個字節(jié)
- 寫一個字節(jié)
位仿真SPI
Init SPI
初始化SPI口的函數(shù)會隨處理器的不同而有很多變化。比較好的做法是先指定接口使用的I/O腳，設置它們的方向，然后設定SS=1和SCLK=0的初始條件（我們假定用SPI主控器的(00)模式）。
讀寄存器，寫寄存器
rreg是讀取MAX3420E寄存器的C函數(shù)，這個宏把功能從不同微控制器的不同I/O結構中獨立出來，使用宏使代碼易讀且與處理器無關。wreg是寫MAX3420E寄存器的例程。
更換處理器時，只需對宏進行修改即可使用這些例程。例如：下面是用于不帶硬件SPI單元的微控制器的宏。
#define SCLK_HI OUTA = PINSA | 0x02; #define SCLK_LO OUTA = PINSA & 0xFD; #define SS_HI OUTA = PINSA | 0x04; #define SS_LO OUTA = PINSA & 0xFB; #define MOSI(v) OUTA = (PINSA & 0x7F) | (v & 0x80); #define MISO inval |= PINSA & 0x01; BYTE rreg(BYTE r) // Read a register, return its value. { int j; BYTE bv,inval; inval = 0; SS_LO bv = r<<3; // Left-shift the reg number, WRITE=0 for (j=0; j<8; j++) // send the register number and direction bit { MOSI(bv) // put out a bit bv <<= 1; // shift one bit left SCLK_HI SCLK_LO } for (j=0; j<7; j++) // get 7 bits and shift left into 'inval' { SCLK_HI MISO inval <<= 1; // shift in one bit SCLK_LO } SCLK_HI // one more bit, but don't shift 'inval' this time MISO SCLK_LO SS_HI return inval; // return the byte we read in } void wreg(BYTE r,BYTE v) // register, value { int j; BYTE bv; SS_LO bv = (r<<3)+2; // Left-shift the reg number, set the WRITE direction bit for (j=0; j<8; j++) // send the register number and direction bit { MOSI(bv) // put out a bit bv <<= 1; // shift one bit left SCLK_HI SCLK_LO } for (j=0; j<8; j++) // send the register data { MOSI(v) // put out a bit v <<= 1; // shift one bit left SCLK_HI SCLK_LO } SS_HI }硬件SPI
這一部分討論上面提到的MAXQ2000微控制器，簡單地說，MAXQ2000是低功耗、16位、高性能RISC處理器家族中的第一個?！癚”代表安靜，表示這一結構能夠與敏感的模擬電路很好地協(xié)調(diào)工作。MAXQ2000內(nèi)建了一個SPI口，它與MAX3420E配合特別合適，下面的例子使用MAXQ2000開發(fā)板和MAX3420E搭建了一個簡單、有趣的Windows小產(chǎn)品。
MAXQ2000硬件SPI單元提供了SCK、MOSI和MISO，但是沒有SS#。由于SS#的操作方式會變化(比如尋址一個字節(jié)與突發(fā)的字節(jié)串)，最好用通用I/O腳做SS#。
MAXQ I/O單元
圖6. MAXQ I/O單元
圖6所示是一個基本的MAXQ I/O單元。I/O口以格式'port.bit'表示，'p'代表端口，'b'代表位。作為例子，我們主要討論I/O口5，第3位(用P53)表示。
每一個I/O單元有一個觸發(fā)器，本例中用一個稱為PO5.3的位來寫。'O'代表輸出。你一直可以寫這個觸發(fā)器，它的輸出有沒有與引腳相連由方向位決定。配置輸出腳時，實際應用時先寫觸發(fā)器再連到引腳比較好，這樣它可以避免引腳上出現(xiàn)毛刺。
P53腳的方向由稱作PD5.3的位來設定。'D'代表方向，D信號充當引腳驅動的輸出使能：1 = 驅動，0 = 浮空。引腳的狀態(tài)一直可以通過稱作PI5.3的位讀取，'I'代表輸入，無論引腳是如何驅動的，被內(nèi)部觸發(fā)器(PD5.3 = 1)還是被外部的信號(PD5.3 = 0)，PI位表示引腳狀態(tài)。
這種結構的一個好處是如果引腳被配制成輸入(PD5.3 = 0)，觸發(fā)器的輸出沒有被用作輸出，那么它可以作為上拉電阻的開關重新利用。如果D = 0，0信號被重新定義，表示“連接一個上拉電阻”，如圖6中的點狀線所示。
許多I/O腳有中斷功能，如圖6下面的框圖所示，中斷模塊有三個信號：
- 一個中斷標志位，中斷請求有效時被置位，由CPU來復位。
- 一個邊沿選擇位，決定是正信號跳變還是負信號跳變引起中斷請求。
- 對每一個能引起中斷的引腳有一個中斷使能位。
初始化SPI
MAXQ2000的I/O引腳由通用I/O和像SPI單元這樣的特殊功能硬件共享。使用特殊功能硬件時，先配置硬件塊，然后把它連到I/O腳上。程序清單中的SPI_Init()過程設置了引腳方向，配置了SPI接口，最后使能它。
void SPI_Init(void)
{
// MAXQ2000 SPI port
CKCN = 0x00; // system clock divisor is 1
SS_HI // SS# high
PD5 |= 0x070; // Set SPI output pins (SS, SCLK, DOUT) as output.
PD5 &= ~0x080; // Set SPI input pin (DIN) as input.
SPICK = 0x00; // fastest SPI clock--div by 2
SPICF = 0x00; // mode(0,0), 8 bit data
SPICN_bit.MSTM = 1; // Set Q2000 as the master.
SPICN_bit.SPIEN = 1; // Enable SPI
// MAX3420E INT pin is tied to MAXQ2000 P60; make it an input
PD6 &= ~0x01; // PD6.0=0 (turn off output)
}
讀寄存器，寫寄存器以下函數(shù)利用了MAXQ2000硬件SPI單元的優(yōu)點，因此比起那些位仿真代碼尺寸小而且快。
// Read a MAX3420E register, return its value.
BYTE rreg(BYTE reg)
{
BYTE dum;
SS_LO
SPIB = reg<<3; // reg number w. dir=0 (IN)
while(SPICN_bit.STBY); // loop if data still being sent
dum = SPIB; // read and toss the input byte
SPIB=0x00; // data is don't care, we're clocking in MISO bits
while(SPICN_bit.STBY); // loop if data still being sent
SS_HI
return(SPIB);
}
// Write a MAX3420E register.
void wreg(BYTE reg, BYTE dat)
{
SS_LO // Set SS# low
SPIB = (reg<<3)+2; // send reg. number w. DIR bit (b1) set to WRITE
while(SPICN_bit.STBY); // loop if data still being sent
SPIB = dat; // send the data
while(SPICN_bit.STBY); // loop if data still being sent
SS_HI // set SS# high
}
例子：基于Windows的應急按鈕
這個USB小產(chǎn)品是一個USB HID，或人體學輸入設備-單個按鍵。當你按下按鍵，所有的活動窗口被最小化，你看到的僅剩桌面，再按一下它，所有的應用窗口又重新彈回來。USB鍵盤很有意思，如果插入幾個鍵盤，它們將同時有效。所以我們的小應急按鈕可以和你的正常鍵盤一起工作。
如果PC在待機，這個應急按鈕擔當了一個新角色-它可以充當PC的遠程喚醒按鍵。不過這取決于你的PC支持不支持USB喚醒，有些可以，有些不可以。這個按鈕可以幫你判斷你的PC可不可以。
此例程在帶有一個USB子卡(包含MAX3420E)的MAXQ2000開發(fā)板上運行。
USB詳細說明
這個應用代碼包含了USB做枚舉類型瑣碎工作的樣板代碼，此設備的屬性已經(jīng)用Panic_Button_Enum_Data.h中的特性陣列完全描述。
這個應用使用了兩個端點，強制的CONTROL端點0，和EP3-IN，單緩沖64字節(jié)端點。雖然MAX3420E內(nèi)含兩個雙重緩沖的64字節(jié)端點(EP1-OUT和EP2-OUT)，在這個應用中并不需要雙重緩沖的吞吐優(yōu)勢。
一個普遍存在HID錯誤概念是HID設備僅僅工作在低速下，本例展示了即使是像鍵盤這樣的東西也可以從全速運行中得到好處，通過發(fā)送12MHz的包來而不是1.5MHz包，它可以使用更低的總線帶寬。
圖7. 應急按鈕的流程圖
中斷端點有查詢間隔，它決定了USB主設備隔多久向IN端點要數(shù)據(jù)。每隔一段時間我們可以預計到主控制器發(fā)了一個IN請求給我們的設備端點3。圖7顯示了處理這些請求的一個簡單的狀態(tài)機。只要設備被例舉了，處理器重復地執(zhí)行這一過程。為了簡單起見，該應用程序查詢中斷腳是否有效，當然，如果你還有其他事要微控制器處理，你會用中斷來激活Do_IN3函數(shù)。
狀態(tài)機使用了兩個全局變量：state和button。C宏定義了三個狀態(tài)：IDLE, RELEASE和 WAIT 。狀態(tài)變量初始化為IDLE。如果連在MAX3420E的GPIN0上的按鍵按下，變量button是高，否則為低。Main()中的無窮循環(huán)增加一個按鍵檢查定時器，當定時器到時它會讀一下MAX3420E中的GPIO寄存器來決定按鍵狀態(tài)。此方法省掉了不必要的SPI流量。
當按鍵處于彈起狀態(tài)時，狀態(tài)圖轉到左邊的兩個分支，不做任何事。如果按鍵在IDLE狀態(tài)被按下，就發(fā)一個清除桌面上活動窗口的鍵碼。鍵碼次序是08 (windows鍵) 00 (保留)和07 (字母d)。下一個狀態(tài)轉到RELEASE，這樣就完成了。
只要MAX3420E把數(shù)據(jù)包送到USB，它就產(chǎn)生另一個EP3-IN中斷請求來表示EP3-IN FIFO可以再一次裝載數(shù)據(jù)。然后再次進入圖7函數(shù)，此時狀態(tài)state = RELEASE ，因此函數(shù)發(fā)送序列00 00 00來表示“按鍵彈起”，下一個狀態(tài)進入WAIT，意思是“等待按鍵被釋放”。
現(xiàn)在函數(shù)要做的所有工作是利用WAIT狀態(tài)分支程序來檢測按鍵釋放。如果按鍵一直按著，程序不做任何事，當按鍵一被釋放，狀態(tài)圖就進到右邊的兩個分支，重新初始化state 變量為IDLE，使函數(shù)等候下一個按鍵按下。
占大部分運行時間的代碼只有少數(shù)幾行，圖7給出了流程圖：
void Do_IN3(void)
{
switch(state)
{
case IDLE:
if (button)
{
wreg(rEP3INFIFO,0x08); // "Windows" prefix key
wreg(rEP3INFIFO,0);
wreg(rEP3INFIFO,0x07); // "D" key
wreg(rEP3INBC,3); // arm it
state = RELEASE; // next state sends the "keys up" code
}
break; // else do nothing (and the SIE will NAK)
//
case RELEASE:
{
wreg(rEP3INFIFO,0x00); // key up
wreg(rEP3INFIFO,0x00);
wreg(rEP3INFIFO,0x00); // key up
wreg(rEP3INBC,3); // arm it
state = WAIT; // next state waits for the PB to be unpressed
}
break;
case WAIT:
if (!button)
state = IDLE;
break;
default: state = IDLE;
} // end switch
}
代碼關鍵
需要對代碼中的一些細節(jié)加以說明。時間敏感的USB事件
MAX3420E 通過在USB總線上送'K'狀態(tài)10ms時間發(fā)了一個遠程喚醒信號，為了避免用SPI主控器來做設定時間這種雜活，MAX3420E用自己內(nèi)部來定時這個信號(事實上，所有的USB時間敏感事件)，然后在時間到時給SPI主控器發(fā)一個中斷。SPI主控器對這些事件不必用上它自己的定時器-它只需啟動操作，然后等待完成中斷。
ACKSTAT位
函數(shù)rregAS和wregAS的功能與rreg和wreg只有一點不同，它們在SPI命令字中設了ACK STATUS位。SPI主控器(我們的例子中是MAXQ2000)用這一位表示MAX3420E已經(jīng)完成了當前的CONTROL請求服務，因此用應答它的狀態(tài)情況的方式來終止CONTROL傳輸。ACKSTAT還扮演了一個內(nèi)部寄存器位的角色，而且由于它含在SPI的命令字中，對它的操作能快速執(zhí)行且只需少量代碼。
readbytes(), writebytes()函數(shù) 這些函數(shù)使用了MAX3420E的數(shù)據(jù)突發(fā)能力。與每次字節(jié)尋址發(fā)兩個字節(jié)(一個命令字節(jié)和一個數(shù)據(jù)字節(jié))不同，這些函數(shù)先拉低SS#，送命令字，然后送入/送出一串字節(jié)，最后把SS#來拉高結束SPI傳輸。
哪里找到產(chǎn)品ID
圖8. 產(chǎn)品ID在這里顯示
產(chǎn)品ID碼(在Panic_Button_Enum_Data.h中)是第一次插入應急按鈕時出現(xiàn)的一小段信息。在確定應急按鈕為HID的枚舉過程中彈出來，并把它和Windows的內(nèi)部驅動聯(lián)系起來。
除了插入任何USB設備時都會聽到一小聲“叭噠”外，后續(xù)的每個附件都不發(fā)聲。任何時候如果你想檢查設備狀態(tài)，請打開圖8所示屏幕。你可以右擊“我的電腦”，選擇“屬性”，“硬件”頁，“設備管理器”按鈕，展開“人機接口設備”項，右擊“USB人機接口設備”，選擇“屬性”。
USB兼容性
查看代碼后，你可能認為這對一個單鍵的USB設備來說要做很多工作，因為對任何USB設備都需要寫一段固定代碼。幸運的是我們對USB進行了仔細的歸納，枚舉代碼可作為任何USB設備的一個模板(拷貝-粘貼即可)。像所有認真的開發(fā)者一樣，我們希望自己的設計能夠通過USB-IF認證，以避免任何知識產(chǎn)權問題。這個應用已經(jīng)通過了USB命令驗證(USBCV版本1.2.1.0)和USB-IF網(wǎng)站為開發(fā)者提供的HID測試。
圖9. USB和HID測試記錄和狀況報告
結論
如果需要設計一個USB外設，可選擇MAX3420E。該器件提供小尺寸封裝，并可提供許多免費程序。MAX3420E能夠為設計增加I/O口線，在支持SPI的系統(tǒng)中能很好地工作。由于SPI很容易通過位仿真實現(xiàn)，因此可以使用任何微控制器。如果需要更高性能，可以使用高達26MHz的SPI時鐘。類似文章發(fā)表于Circuit Cellar 2005年7月刊。
附錄. 代碼列表
下載代碼列表
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