原创 USB接口芯片的原理及应用

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

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bsp;    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。

                                                              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。

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sp;                                             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。