USB闪存盘与PIC微控制器的简单方案及设计电路图

    今日USB装置几乎无所不在，市面上充斥着各式各样的USB闪存盘和各种USB外围装置，由于这些装置大多是属于 USB Slave，应用领域也就局限在PC市场。近来USB闪存盘的价格快速滑落，刺激出新的应用，如何在原有产品上使用USB闪存盘成为许多公司的难点。想要在8与16位微控制器中增加USB Host的功能，设计过程、成本与功耗便成为了重要的考量因素。部份原因源自于这类系统使用的嵌入式控制器，目前尚缺乏适合的接口、资源、以及效率来连结USB Host控制器。

在此应用范例中，将以Vinculum VNC1L智能型USB Host桥接器IC做为一个例子，说明如何为系统控制器PIC16F688增加一个USB 2.0全速连结埠。使这个系统能连结USB闪存盘，并能在耗用最少的设计时间与资源下完成设计。

VNC1L简介

VNC1L为Vinculum家族的第一颗芯片。此智能型USB Host桥接器采用客制化的处理器，并搭配两个加速数据传输的直接内存存取(DMA)引擎及一个32位数值协同处理器，以达到最高的文件操作效率-且全部整合于一内置64Kbyteflash、以及4Kbyte内部数据SRAM的单一芯片中。

Vinculum家族锁定嵌入式USB控制器市场，这类产品仅需少量外部支持组件。Vinculum家族核心的主要特点之一，就是其程序代码长度明显短于一般微控制器实现该功能代码的长度，而降低核心程序代码的资源后，将可使更多功能能得以收纳至芯片内部的e-Flash内存中。VNC1L可处理整个USB协议并内建12MHz 到48MHz 的时钟。这些特性恰巧与PIC嵌入式系统形成互补。图1为此系统之架构说明，其利用VNC1L连结一个小型PIC16F688 微控制器及USB Type “A”连结器，进而可连接USB闪存盘。

　　设计说明

　　此PIC16F688为系统控制器，由其通用I/O引脚(9、10、11引脚上的 RC1、RC0、RA2) 来取得传感器或其它来源的数据，并转换数据格式且将串流格式数据写入USB闪存盘的文件中，指令与数据系通过TXD(6号引脚)传送至VNC1L RXD (32号引脚)。VNC1L可处理FAT 12/16/32文件系统和储存在USB闪存盘的数据。VNC1L通过28号针脚的USB2DP和29号针脚的USB2DM与USB闪存盘进行通讯。通过相同的引脚，数据能从USB闪存盘存取，并从VNC1L TXD (31号引脚)传送到PIC的RXD(5号引脚)，以供PIC程序使用。

　　PIC16F688上的程序控制整个系统，此外，由PIC16F688发出的指令控制其与VNC1L之间的传输作业。VNC1L的标准程序会解读并执行来自PIC16F688的指令。以上只是系统的简单介绍，若欲完成整个设计还需要更多的资源，而这些组件尚须电源、控制时钟的石英晶体以及程序设计。

　　运用PIC中第2与第3针脚的20 MHz晶体，让UART接口能达到比115200 bit/s更高的的波特率(baud rate)，相对于使用内部8MHz振荡器最高仅能达到9600 bit/s，因此其能提升系统效率。PIC程序把RC2与RC3 I/O引脚模拟成RTS/CTS来与VNC1L的UART接口连接。

　　此时，系统需要5伏特/ 250mA的额定电源，其中对于USB “A”连结器提供200mA电流，并为VNC1L提供25mA电流，另25mA电流则用以供电PIC16F688。VNC1L所要求的3.3伏电压由3.3v LDO稳压器供应，其中尚有兼容5伏的IO口，能使其连接至PIC，而不需电位切换器。

　　针对低功耗应用，VNC1L在不使用时能切换至2mA休眠模式。如欲唤醒该组件，则可通过UART接口的响铃侦测(RI)引脚(38号引脚)达成;若其已连接至RXD线路，如图中所示，则可通过接续的伪指令来唤醒该组件。

　　此设计同样包含一个双色状态LED指示灯，其由16与18号引脚供电。当成功登录USB闪存盘及存取文件系统时，系统便将提出显示。

　　VNC1L程序

　　VNC1L内部固化有标准的程序，名为VDAP (Vinculum Disk and Peripheral)，该程序能解读从PIC传来的指令。这些指令类似DOS指令，如DIR、RD、以及WR等等。指令集亦支持单一字节的hex指令，更适合由微处理器进行控制。

　　而收录于PIC程序中的VDAP指令可用来控制USB闪存盘的存取作业。典型的指令顺序为建立文件、读/写数据至文件，之后关闭文件。

　　VNC1L与PIC程序开发

　　此设计含有两个烧录程序的接头，各个接头分别支持器件所需要的开发环境。在产品设计环境中，每个器件可在焊上印刷电路板前被预先烧录，因此不需接头与jumpers。

　　在正常运作模式中，J1与J2应接上，其它jumpers应为开路状态。VNC1L在烧录时需移除J1与J2 的jumpers，以隔离VNC1L UART的输入端和PIC输出端。之后先切断5伏特电源，然后将TTL-232R-3V3 线连结至H2。通过已安装的VPROG程序工具，把线路的USB端连结到PC，之后接上J4 jumper，将VNCL1A的PROG#引角拉低，让J3暂时短路以重设器件，并切换至烧录模式。完成烧录后，并请将jumpers设定回复至运作模式。

　　PIC的烧录接头需连结至器件的RA0、RA1、以及MCLR#引脚，5伏特烧录电压/电源则通过接头传送至组件。待切断5伏特电源后，再对PIC微控制器进行烧录。接头应连结至如PICKit2等标准PIC开发环境，以便利用Microchip的除错与下载工具。

　　FTDI在网站上提供了一个PIC的范例程序。在这个C范例程序中，PIC将等待USB闪存盘被侦测出，然后开启一个名为hello.txt的档案。“Hello World”字符串以及换行指令码和line feed字符将被写入文件，待关闭文件后，USB闪存盘便可移除。

　　FTDI的Vinculum VNC1L是一个容易使用、容易设计的智能型USB Host桥接器，使得低成本微控制器可轻易地增加USB 2.0低/全速的USB接口。在电源方面，Vinculum VNC1L 仅在USB接口增加少于10%的消耗。类似DOS的指令集，让传输的数据能在微控制器环境中轻易进行编写与除错，伴随着简易的硬件周边则大大地减轻工程师的负担，为嵌入式系统提供一个USB主控端设计方案不再是件艰难的工作。这使得低成本、高普及率的USB闪存盘能作为系统的储存媒体，并能提供现场升级软件之功能。在本文讨论范围外，值得附带一提的是，除了高容量储存装置以外，VNC1L还能用来连结许多其它USB外围装置。