通过USB2.0全速接口实现PIC控制器与闪存盘的连接过程研究

电子设计 2019-11-22 2611

描述

问题与挑战

作为现今普遍接受的移动存储工具，USB闪存盘在各种嵌入式系统中也获得广泛应用。

本文介绍低成本PIC控制器通过USB2.0全速接口与闪存盘进行连接的实现过程，并着重针对PIC微控制器和VinculumUSB接口芯片说明有关嵌入式接口的硬件设计以及程序的编写。

如今各种闪存盘和USB外设价格已相当低廉，并被广泛应用到带USB接口的PC中。而要将它们应用于8位或16位嵌入式系统中，如何解决成本和功耗等问题才是关键。这其中的原因主要是这类系统中用到的嵌入式控制器，如Microchip公司推出并得到广泛应用的PIC系列器件具有多种存储密度和外设，但由于缺乏接口、资源和性能，无法作为USB的主控制器。

在实际应用中，可用VNC1LVinculum控制器来实现这种连接，该芯片提供了作为系统控制器的PIC和USB2.0全速端口之间的接口，顺利实现与USB闪存盘的连接，同时该方案具有很短的执行时间和最小系统成本。Vinculum基于定制处理器内核，有两个直接存储访问（DMA）引擎以加快数据传输和32位数字协处理器优化文件系统的计算，所有这些都在一个芯片里完成，芯片带有64K嵌入式闪存和4K内部数据SRAM。

Vinculum专门针对嵌入式USB控制器市场，只需要很少外部支持元件。Vinculum核与常用MCU核相比的一个主要特点是其代码长度大幅缩短，减少内核在代码上的开销，因此可以在单芯片e-Flash存储器里装入更多功能，这一特点也正好可以弥补基于PIC的嵌入式系统的不足。系统原理图见图1，通过Vinculum将小型PICMCU连到USB“A”连接器上，然后就可以连接USB闪存盘了。

搭建模拟系统

PIC是系统控制器，通过通用I/O引脚（引脚9、10、11上的RC0、RC1、RA2）接收从传感器或其他来源传过来的数据，对数据格式进行转换，然后用数据流将数据写入闪存盘上的文件里。命令和数据通过TXD（引脚6）传到VNC1L的RXD（引脚32），VNC1L在USB闪存盘上生成FAT12/16/32文件并存储数据，并通过USB2DM（引脚28）和USB2DP（引脚29）和闪存盘通信。数据也用同样引脚读出，然后将数据通过VNC1L的TXD（引脚31）传到PIC的PXD（引脚5）以供系统固件使用。

在PIC引脚2和3之间接入一个20MHz晶振可在其UART接口获得高达115200bit/s波特率，而使用内部8MHz振荡器只能获得最高9600bit/s波特率，因此加接晶振可提高系统性能。PIC的IO引脚RC2和RC3都被固件使用，以模拟与VNC1LUART连接的RTS/CTS握手信号。系统由PIC上的固件控制，数据传输则由PIC发出的指令控制，该指令由Vinculum上的标准固件进行解释。虽然说起来很简单，但完成设计还有其他一些工作要做，例如器件还需要电源、控制时钟的晶振以及编程。

系统需要标准的5V250mA电源（PSU），可为USB“A”连接器提供高达200mA电流，同时为VNC1L和PIC各提供25mA驱动电流。VNC1L采用3.3v电源，由一个3.3vLDO调压器提供，它带有一个5v容限IO引脚，可使其连到PIC而不需要用到电平转换器。在低功耗应用中，VNC1L不工作时可进入2mA睡眠模式，如需唤醒器件，只需触发RART接口的振铃指示（RI）引脚（引脚38）。如果它连到RXD线上（如图所示），就可以用一个空命令触发以唤醒器件。

该设计还包括一个双色LED指示器，由引脚16和18推动。它可以显示是否成功连上USB闪存盘并可以访问文件系统。

微控制器

VNC1L和PIC编程

该设计包括两个程序头文件，每个器件需要一个，同时还要有相应的开发环境。对于生产设计而言，两个器件都要在插入PCB之间预先编程，以减少连接头和跳线。

在正常工作状态下，J1和J2需要连上，而其他跳线保持断开。对VNC1L编程的时候，将J1和J2跳线移开以使VNC1LUART输入与PIC输出分开。把5VPSU断开，然后将TTL-232R-3V3线缆接到H2上，将该线缆的USB端接到PC上，而在PC上安装好VPROG编程软件。将J4连上以便将VNC1L的PROG#引脚拉低，并短暂将J3短路以使器件复位使其进入编程状态。编程完成后，记住恢复跳线设定到工作位置。

对PIC编程时编程头连到器件的RA0、RA1和MCLR#引脚，通过编程头提供5V编程电压。PIC微控制器编程前先将5VPSU断开，编程头连到标准PIC编程环境如PICKit2上，可以使用Microchip的调试与下载工具。

本文所附的C代码实例显示PIC等待闪存盘检测，然后打开一个名为hello.txt的文件，接着将“HelloWorld”以及回车换行符写入该文件中，最后关闭文件并等待将闪存盘移开。

微控制器

VNC1L固件

VNC1L采用标准固件进行编程，称为VDAP，它可以解释来自于PIC的命令。这些VDAP命令有些类似于DOS指令，如DIR、RD以及WR等，命令集也支持容易被微处理器控制的单字节十六进制命令，VDAP命令包含在PIC固件中，可控制USB闪存盘的接入，典型命令序列可以是生成一个文件、从文件中读出/写入数据然后关闭文件。

结论

FTDI的VinculumVNC1L提供了一个低成本微控制器与USB2.0低/全速外设之间的接口，易于使用和编程，其指令集类似于DOS命令，可在微控制器环境下很容易地编写调试数据以及传输例程，同时设计简单，使嵌入式系统能以较低成本实现USB主机功能。因此用户将可以采用低成本通用USB闪存盘作为系统存储媒介，而且还能在现场进行软件升级。此外VNC1L还可用于连接除了大容量存储设备之外的很多其他USB外设，不过这部分内容在本文讨论范围之外。

VinculumIC给USB接口增加不到10%的功耗，对系统而言更低，但能以非常容易及直接的方式为便携式设备增加USB2.0主机控制器端口。VDAP固件以及介绍完整指令集的文件可从FTDI的Vinculum网站（）下载。

责任编辑：gt

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