为任何系统增加USB

引言有关通用串行总线(USB)的文章通常从USB是个人电脑的一个新连接标准开始讲起。谢天谢地现在不再需要如此做，因此本引言可以简短地写为：如果你有一个嵌入式系统并且想连到PC，主流的连接通道是USB。

本文介绍了一款Maxim最新推出的芯片，MAX3420E，它可以很容易地把USB加入到任何系统中。本文主要着重于SPI接口，提供了实现通用SPI的C例程。最后给出了一个简单的USB HID (人机接口设备) ― 基于Windows的应急按钮程序。

为任何系统增加USB微控制器(µC)的选择通常基于它所集成的外设。许多处理器集成了USB功能，但是大多数处理器，特别是一些低价位的处理器不含USB。有时，您可能选用了一个I/O和外设都很完美的微控制器，但它却缺少USB。您是否希望只是添加USB功能而继续使用当前的微控制器呢？

利用Maxim的芯片MAX3420E，可以为任何处理器添加USB功能。MAX3420E集成了USB全速收发器、智能USB串行接口引擎(SIE)和一个可工作到26MHz时钟的从SPI接口。MAX3420E的使用如同一个具有单个控制端点、两个双重缓冲的64字节数据端点和一个64字节的中断端点的全速USB外设。

总线供电

图1. USB供电

图1是一个普通的USB外设结构。USB的VBUS电源线为3.3V稳压器提供5V输入，该稳压器给微控制器和MAX3420E供电(无需墙上适配器)。SPI接口可以是3、4或5线。表1列出了5线接口。

表1. 使用3到5线的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)
如果应用中不需要中断(MAX3420E的中断条件可以通过读取寄存器直接检测到)s，可以去掉INT引脚，得到一个4线接口。如果SPI主机具有双向数据接口(MOSI/MISO)，则可以省掉另外一条接口线，这样，没有中断、支持双向通信的SPI接口只需要3个引脚。

如果微控制器没有SPI接口怎么办呢？没问题，可以很容易地设计一个直接触发GPIO的、固件形式的SPI主控器。USB的一个非常强的特性是自控流量能力，它自动配合SPI侧的任何速度(它利用在USB侧插入NAK握手来提示“忙，重试”)。很多USB外设，特别是与人接口的，即使与最低速的SPI接口都能应答自如。

如果图1中的微控制器非常小，只有10脚以下怎么办呢？难道就不能把这些珍贵的I/O口用来连USB芯片了？不，这就是为什么MAX3420E提供了四个通用输出口和四个通用输入口的原因，它们可以替代被用掉的处理器上的I/O口，事实上你的系统在接上MAX3420E后还得到了更多的口线。

大规模集成芯片

图2. 只连接大规模集成芯片的少许引脚

MAX3420E不仅仅只限用于小系统。图2说明了如何给一个ASIC，FPGA，DSP和其他大芯片增加USB功能。这样做的一个明显原因是大芯片没有内建的USB或内部的USB不是正好符合你的所需。另一个原因是随着工艺尺寸的缩小，这些大片子不能兼容USB所需的3.3V “高”压，此时使用外部带低压SPI接口的USB芯片就是一个很好的方案。MAX3420E内带电平转换器，VL脚设定接口电平的范围，从1.7V到3.6V。

隔离USB

图3. 隔离USB

如图3所示，由于SPI接口信号是单向的，还很容易进行光隔。同时还可以设定较低的速率来支持廉价的光耦。

SPI接口SPI (串行外设接口)是一个简单的串行接口，它使用两根数据线，一根串行时钟和一个片选信号。SPI主控把SS#拉低来开始传输，然后驱动串行时钟SCLK来把数据同步输入和输出从设备。SPI主控通过把SS#拉回到高电平，以终止传输。

SPI接口有四种时钟模式，反映了两个信号CPOL (时钟极性)和CPHA (时钟相位)的两个状态。这两信号以(CPOL, CPHA)的形式来表示。可以证明一个接口利用正沿SCLK且在第一个正沿时钟到来以前MOSI数据已经准备就绪可以工作在(0,0)和(1,1)模式而无需任何改变。这一属性使MAX3420E无需额外的模式引脚设置，就可以工作在(0,0)或(1,1)模式。

图4和图5显示了利用SPI模式在微控制器(MAXQ2000，随后介绍)和MAX3420E之间的数据传输。图4所示为(0,0)模式，图5所示为(1,1)模式。两者的区别是SCLK信号的无效电平不同，(0,0)是低无效，(1,1)是高无效。

图4. 工作在(0,0)模式的SPI接口

图5. 工作在(1,1)模式的SPI接口

MAX3420E每次传输接收的第一个字节是命令字节。命令字节包含寄存器号和方向位，第二个字节和后续字节包含数据。在图4和图5中，移入命令字时，来自MAX3420E (MISO引脚)的8位数据是USB状态位。此特性只在使用分离MISO和MOSI脚的接口中有效。

SPI代码编写MAX3420E通用C代码的窍门是把原始的最基本的SPI *** 作封装到独立的模块中，然后针对不同的SPI接口的只需客户化这一模块。最基本的模块只须做三件事：

1. 初始化SPI口
2. 读一个字节
3. 写一个字节

本文中的应用例子使用硬件SPI单元。对没有此单元的SPI主控器，我们先看看一些位仿真SPI接口的通用C代码。

位仿真SPI
Init SPI
初始化SPI口的函数会随处理器的不同而有很多变化。比较好的做法是先指定接口使用的I/O脚，设置它们的方向，然后设定SS=1和SCLK=0的初始条件（我们假定用SPI主控器的(00)模式）。

读寄存器，写寄存器
rreg是读取MAX3420E寄存器的C函数，这个宏把功能从不同微控制器的不同I/O结构中独立出来，使用宏使代码易读且与处理器无关。wreg是写MAX3420E寄存器的例程。

更换处理器时，只需对宏进行修改即可使用这些例程。例如：下面是用于不带硬件SPI单元的微控制器的宏。

#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
这一部分讨论上面提到的MAXQ2000微控制器，简单地说，MAXQ2000是低功耗、16位、高性能RISC处理器家族中的第一个。“Q”代表安静，表示这一结构能够与敏感的模拟电路很好地协调工作。MAXQ2000内建了一个SPI口，它与MAX3420E配合特别合适，下面的例子使用MAXQ2000开发板和MAX3420E搭建了一个简单、有趣的Windows小产品。

MAXQ2000硬件SPI单元提供了SCK、MOSI和MISO，但是没有SS#。由于SS#的 *** 作方式会变化(比如寻址一个字节与突发的字节串)，最好用通用I/O脚做SS#。

MAXQ I/O单元

图6. MAXQ I/O单元

图6所示是一个基本的MAXQ I/O单元。I/O口以格式'port.bit'表示，'p'代表端口，'b'代表位。作为例子，我们主要讨论I/O口5，第3位(用P53)表示。

每一个I/O单元有一个触发器，本例中用一个称为PO5.3的位来写。'O'代表输出。你一直可以写这个触发器，它的输出有没有与引脚相连由方向位决定。配置输出脚时，实际应用时先写触发器再连到引脚比较好，这样它可以避免引脚上出现毛刺。

P53脚的方向由称作PD5.3的位来设定。'D'代表方向，D信号充当引脚驱动的输出使能：1 = 驱动，0 = 浮空。引脚的状态一直可以通过称作PI5.3的位读取，'I'代表输入，无论引脚是如何驱动的，被内部触发器(PD5.3 = 1)还是被外部的信号(PD5.3 = 0)，PI位表示引脚状态。

这种结构的一个好处是如果引脚被配制成输入(PD5.3 = 0)，触发器的输出没有被用作输出，那么它可以作为上拉电阻的开关重新利用。如果D = 0，0信号被重新定义，表示“连接一个上拉电阻”，如图6中的点状线所示。

许多I/O脚有中断功能，如图6下面的框图所示，中断模块有三个信号：

• 一个中断标志位，中断请求有效时被置位，由CPU来复位。
• 一个边沿选择位，决定是正信号跳变还是负信号跳变引起中断请求。
• 对每一个能引起中断的引脚有一个中断使能位。

我们的应用例子把MAX3420E的中断输出配置成正边沿触发中断，在MAXQ2000这边，程序直接测试USB中断的中断触发器，而不是使用MAXQ2000的中断系统。程序除了检测按键的状态和响应USB请求外什么都不干，因此只需一个查询循环。

初始化SPI
MAXQ2000的I/O引脚由通用I/O和像SPI单元这样的特殊功能硬件共享。使用特殊功能硬件时，先配置硬件块，然后把它连到I/O脚上。程序清单中的SPI_Init()过程设置了引脚方向，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)
}

读寄存器，写寄存器
以下函数利用了MAXQ2000硬件SPI单元的优点，因此比起那些位仿真代码尺寸小而且快。

// 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的应急按钮这个USB小产品是一个USB HID，或人体学输入设备-单个按键。当你按下按键，所有的活动窗口被最小化，你看到的仅剩桌面，再按一下它，所有的应用窗口又重新d回来。

USB键盘很有意思，如果插入几个键盘，它们将同时有效。所以我们的小应急按钮可以和你的正常键盘一起工作。

如果PC在待机，这个应急按钮担当了一个新角色-它可以充当PC的远程唤醒按键。不过这取决于你的PC支持不支持USB唤醒，有些可以，有些不可以。这个按钮可以帮你判断你的PC可不可以。

此例程在带有一个USB子卡(包含MAX3420E)的MAXQ2000开发板上运行。

USB详细说明
这个应用代码包含了USB做枚举类型琐碎工作的样板代码，此设备的属性已经用Panic_Button_Enum_Data.h中的特性阵列完全描述。

这个应用使用了两个端点，强制的CONTROL端点0，和EP3-IN，单缓冲64字节端点。虽然MAX3420E内含两个双重缓冲的64字节端点(EP1-OUT和EP2-OUT)，在这个应用中并不需要双重缓冲的吞吐优势。

一个普遍存在HID错误概念是HID设备仅仅工作在低速下，本例展示了即使是像键盘这样的东西也可以从全速运行中得到好处，通过发送12MHz的包来而不是1.5MHz包，它可以使用更低的总线带宽。

图7. 应急按钮的流程图

中断端点有查询间隔，它决定了USB主设备隔多久向IN端点要数据。每隔一段时间我们可以预计到主控制器发了一个IN请求给我们的设备端点3。图7显示了处理这些请求的一个简单的状态机。只要设备被例举了，处理器重复地执行这一过程。为了简单起见，该应用程序查询中断脚是否有效，当然，如果你还有其他事要微控制器处理，你会用中断来激活Do_IN3函数。

状态机使用了两个全局变量：state和button。C宏定义了三个状态：IDLE, RELEASE和 WAIT 。状态变量初始化为IDLE。如果连在MAX3420E的GPIN0上的按键按下，变量button是高，否则为低。Main()中的无穷循环增加一个按键检查定时器，当定时器到时它会读一下MAX3420E中的GPIO寄存器来决定按键状态。此方法省掉了不必要的SPI流量。

当按键处于d起状态时，状态图转到左边的两个分支，不做任何事。如果按键在IDLE状态被按下，就发一个清除桌面上活动窗口的键码。键码次序是08 (windows键) 00 (保留)和07 (字母d)。下一个状态转到RELEASE，这样就完成了。

只要MAX3420E把数据包送到USB，它就产生另一个EP3-IN中断请求来表示EP3-IN FIFO可以再一次装载数据。然后再次进入图7函数，此时状态state = RELEASE ，因此函数发送序列00 00 00来表示“按键d起”，下一个状态进入WAIT，意思是“等待按键被释放”。

现在函数要做的所有工作是利用WAIT状态分支程序来检测按键释放。如果按键一直按着，程序不做任何事，当按键一被释放，状态图就进到右边的两个分支，重新初始化state 变量为IDLE，使函数等候下一个按键按下。

占大部分运行时间的代码只有少数几行，图7给出了流程图：

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
} 

代码关键需要对代码中的一些细节加以说明。

时间敏感的USB事件
MAX3420E 通过在USB总线上送'K'状态10ms时间发了一个远程唤醒信号，为了避免用SPI主控器来做设定时间这种杂活，MAX3420E用自己内部来定时这个信号(事实上，所有的USB时间敏感事件)，然后在时间到时给SPI主控器发一个中断。SPI主控器对这些事件不必用上它自己的定时器-它只需启动 *** 作，然后等待完成中断。

ACKSTAT位
函数rregAS和wregAS的功能与rreg和wreg只有一点不同，它们在SPI命令字中设了ACK STATUS位。SPI主控器(我们的例子中是MAXQ2000)用这一位表示MAX3420E已经完成了当前的CONTROL请求服务，因此用应答它的状态情况的方式来终止CONTROL传输。ACKSTAT还扮演了一个内部寄存器位的角色，而且由于它含在SPI的命令字中，对它的 *** 作能快速执行且只需少量代码。

readbytes(), writebytes()函数 这些函数使用了MAX3420E的数据突发能力。与每次字节寻址发两个字节(一个命令字节和一个数据字节)不同，这些函数先拉低SS#，送命令字，然后送入/送出一串字节，最后把SS#来拉高结束SPI传输。

哪里找到产品ID

图8. 产品ID在这里显示

产品ID码(在Panic_Button_Enum_Data.h中)是第一次插入应急按钮时出现的一小段信息。在确定应急按钮为HID的枚举过程中d出来，并把它和Windows的内部驱动联系起来。

除了插入任何USB设备时都会听到一小声“叭哒”外，后续的每个附件都不发声。任何时候如果你想检查设备状态，请打开图8所示屏幕。你可以右击“我的电脑”，选择“属性”，“硬件”页，“设备管理器”按钮，展开“人机接口设备”项，右击“USB人机接口设备”，选择“属性”。

USB兼容性查看代码后，你可能认为这对一个单键的USB设备来说要做很多工作，因为对任何USB设备都需要写一段固定代码。幸运的是我们对USB进行了仔细的归纳，枚举代码可作为任何USB设备的一个模板(拷贝-粘贴即可)。

像所有认真的开发者一样，我们希望自己的设计能够通过USB-IF认证，以避免任何知识产权问题。这个应用已经通过了USB命令验证(USBCV版本1.2.1.0)和USB-IF网站为开发者提供的HID测试。

图9. USB和HID测试记录和状况报告

结论如果需要设计一个USB外设，可选择MAX3420E。该器件提供小尺寸封装，并可提供许多免费程序。MAX3420E能够为设计增加I/O口线，在支持SPI的系统中能很好地工作。由于SPI很容易通过位仿真实现，因此可以使用任何微控制器。如果需要更高性能，可以使用高达26MHz的SPI时钟。

类似文章发表于Circuit Cellar 2005年7月刊。

附录. 代码列表
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