详解USB接口芯片原理及应用
关键词：
usb , 接口 , 芯片 , ch375
随着计算机技术的快速发展，usb移动存储设备的使用已经非常普遍，因此在一些需要转存数据的设备、仪器上使用usb移动存储设备接口的芯片便相继产生了，ch375就是其中之一，它是一个usb总线的通用接口芯片，支持host主机方式和slave设备方式。
在本地端，ch375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/dsp/mcu等控制器的系统总线上。在usb主机方式下，ch375还提供了串行通信方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/dsp/mcu等相连接。ch375的usb主机方式支持各种常用的usb全速设备，外部单片机/dsp/mcu可以通过ch375按照相应的usb协议与usb设备通信。
ch375芯片内部结构
1 内部结构
ch375芯片内部集成了pll倍频器、主从usb接口sie、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。ch375芯片引脚排列如图1所示。
2013-3-15 15:54:46 上传
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▲ 图1 ch375芯片引脚排列
2 内部物理端点
ch375芯片内部具有7个物理端点。端点0是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是8b；端点1包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是8b，上传端点的端点号是81h，下传端点的端点号是01h；端点2包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是64b，上传端点的端点号是82h，下传端点的端点号是02h。
主机端点包括输出端点和输入端点，输出和输入缓冲区各是64b，主机端点与端点2合用同一组缓冲区，主机端点的输出缓冲区就是端点2的上传缓冲区，主机端点的输入缓冲区就是端点2的下传缓冲区。
其中，ch375的端点0、端点1、端点2只用于usb设备方式，在usb主机方式下只需要用到主机端点。
软件接口
对于usb存储设备的应用，ch375直接提供了数据块的读写接口，以512b的物理扇区为基本读写单位，从而将usb存储设备简化为一种外部数据存储器，单片机可以自由读写usb存储设备中的数据，也可以自由定义其数据结构。
ch375以c语言子程序库提供了usb存储设备的文件级接口，这些应用层接口api包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到各种常用的单片机程序中。
ch375的u盘文件级子程序库具有以下特性：支持常用的fat12、fat16 和fat32 文件系统，磁盘容量可达100gb以上，支持多级子目录，支持8.3格式的大写字母文件名，支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。
ch375的文件级接口api子程序需要大约600b的随机存储器ram 作为缓冲区。所有api在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。有关api参数的说明请参考ch375数据手册。
ch375在单片机读写u盘中的电路原理图
图2给出了mcs-51单片机读写u盘的电路原理图，如果ch375芯片的txd引脚悬空或者没有通过下接电阻接地，那么ch375工作于串口方式。在串口方式下，ch375只需要与单片机/dsp/mcu连接3个信号线，txd引脚、rxd引脚以及int#引脚，其他引脚都可以悬空。除了连接线较少之外，其他外围电路与并口方式基本相同。由于int#引脚和txd 引脚在ch375复位期间只能提供微弱的高电平输出电流，在进行较远距离的连接时，为了避免int#或者txd在ch375复位期间受到干扰而导致单片机误操作，可以在int#引脚或者txd引脚上加阻值为1～5kω的上拉电阻，以维持较稳定的高电平。在ch375芯片复位完成后，int#引脚和txd引脚将能够提供5ma的高电平输出电流或者5ma的低电平吸入电流。
2013-3-15 15:54:42 上传
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图2 mcs-51单片机读写u盘的电路原理图
单片机读写u盘的接口
由于ch375内置了处理mass-storage海量存储设备的专用通信协议的固件，所以嵌入式系统的单片机可以通过ch375将u盘（usb闪存盘、usb外置硬盘）作为可移动的大容量存储器。数据读写只需要几条指令，而不需要详细了解usb通信协议。如果嵌入式系统需要将usb存储设备组织为文件系统，那么可以直接调用ch375文件级子程序库提供的接口api，由子程序库处理文件系统。
ch375主机usb-host的电路设计注意事项
某些usb设备带电插入时常出现如下问题：
● ch375复位或者单片机复位（尤其是采用up 监控电路的单片机系统）。
● ch375或者单片机突然工作不正常，失去控制。
● ch375芯片的工作电流突然增大并且持续如此，时间长了芯片发热烫手。
出现上述问题时可参考如下解决方法：
● 给usb插座单独供电，这样，即使usb设备刚插上时存在电容充电过程，也不会影响单片机和ch375。变通方法是，将5v主电源分别通过两个独立的限流电感后（或者在pcb中电源线分开走），一组提供给ch375和单片机等，另一组提供给usb插座。
● 在usb插座前串接限流电阻或者电感，并在usb插座电源上并联储能用的电解电容。如果用电感也可以限制电流突变，防止电源电压突降，但是用电感在usb设备拔出后，容易在usb插座中产生过冲高压，所以必须接储能电容。（注意，在第一版ch375评估板的原理图中已经标出usb插座的限流电阻r1为1ω，建议将其换为阻值5ω的电阻或者保险电阻）
● 其他临时的解决方法（不推荐）：①在usb设备与usb插座之间加入usb延长线。②在主电源上并联较大的储能电容，在u盘刚插入时提供足够的瞬时电能，减少对电源电压的影响。
● 参考目前计算机端的解决方法：usb端口的电源供给是通过保险电阻或者限流电感提供的，这些能够限制瞬时电流。对于计算机前面板的usb端口，由于本身通过一段较长的连接导线，自然减弱了对主电源的影响，而且计算机的5v电源功率很大，连续供电电流都在20a以上，所以不易受影响。
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ch375芯片内部结构
1 内部结构
ch375芯片内部集成了pll倍频器、主从usb接口sie、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。ch375芯片引脚排列如图1所示。
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▲ 图1 ch375芯片引脚排列
2 内部物理端点
ch375芯片内部具有7个物理端点。端点0是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是8b；端点1包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是8b，上传端点的端点号是81h，下传端点的端点号是01h；端点2包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是64b，上传端点的端点号是82h，下传端点的端点号是02h。
主机端点包括输出端点和输入端点，输出和输入缓冲区各是64b，主机端点与端点2合用同一组缓冲区，主机端点的输出缓冲区就是端点2的上传缓冲区，主机端点的输入缓冲区就是端点2的下传缓冲区。
其中，ch375的端点0、端点1、端点2只用于usb设备方式，在usb主机方式下只需要用到主机端点。
软件接口
对于usb存储设备的应用，ch375直接提供了数据块的读写接口，以512b的物理扇区为基本读写单位，从而将usb存储设备简化为一种外部数据存储器，单片机可以自由读写usb存储设备中的数据，也可以自由定义其数据结构。
ch375以c语言子程序库提供了usb存储设备的文件级接口，这些应用层接口api包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到各种常用的单片机程序中。
ch375的u盘文件级子程序库具有以下特性：支持常用的fat12、fat16 和fat32 文件系统，磁盘容量可达100gb以上，支持多级子目录，支持8.3格式的大写字母文件名，支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。
ch375的文件级接口api子程序需要大约600b的随机存储器ram 作为缓冲区。所有api在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。有关api参数的说明请参考ch375数据手册。
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