串行转换器在基于MCU的系统中启用USB连接

USB连接在PC和消费者市场中无处不在，设计团队在一系列嵌入式应用程序中工作以将USB添加到设计中有充分的理由。嵌入式设计可以充分利用使USB成为通用即插即用互连的巨大努力。此外，该接口还提供通过单根电缆分配电力和处理数据的能力 - 这是大多数传统串行接口所缺乏的功能。让我们考虑可用于为基于MCU的设计以及与MCU一起使用的外围产品添加USB支持的不同选项。

尽管如此，Microchip PIC10和PIC12 8位产品线中的许多低端MCU都缺乏USB支持，但包括其他串行接口，如SPI（串行外设接口）。此外，设计团队可以选择对设计进行分区，包括在主系统中使用支持USB的MCU，同时在位于USB电缆另一端的目标设备中添加模块化外设功能，以方便地提供电源和数据。

许多IC公司都提供USB控制器和桥接IC，可以方便地为系统添加USB连接。这些IC在它们支持的串行接口类型和集成在芯片上的其他功能（如存储器或I/O线）方面各不相同。

USB转UART桥接器最基本的桥接IC是一个简单的USB转UART桥接器，例如Silicon Labs的CP21xx系列产品，包括CP2101，CP2102，CP2103，CP2104，CP2105和CP2110 IC。典型实现如图1所示。当与外部收发器一起使用时，桥接器直接支持RS-232接口和其他选项。例如，如果您有一个依赖于串行通信的传统MCU设备，CP21xx系列可以轻松地将设计转换为USB连接，并且IC支持虚拟COM端口（VCP）功能。

图1：Silicon Labs CP21xx系列USB转UART桥接IC允许设计团队在具有传统串行接口的外设中添加USB支持。

家庭成员的差异归结为I/O功能和内存。例如，所有家庭成员都包括可用于存储USB特定数据的EEPROM，例如供应商ID甚至电源描述符。内存配置从296到1024位不等。

USB供应商IC，设备类型和其他数据不必在专用嵌入式应用程序中使用，但如果设备设计旨在用于USB主机的一般用途，则应使用该标准符合标准。这些IC提供从CP2101/02上的0个通用I/O线到CP2110上的10个I/O线。您可以使用这些I/O线来满足状态和控制需求。

通过SPI等接口实现的USB连接可以支持更高的数据速率。包括Maxim和Microchip在内的许多公司都有基于SPI的USB IC。几乎所有较新的MCU都包含SPI接口。

主机或目标

例如，Maxim提供MAX3420E和MAX3421E USB控制器，可为任何具有SPI端口的处理器系统增加USB支持。这些IC使用SPI时钟，最高可达26 MHz。 SPI实现是从模式接口，这意味着USB控制器需要MCU中的SPI主控制器或系统中的其他处理器。

基于MAX3420E的简单USB总线供电小部件只需要处理器，以及一个从USB电缆获得3.3 V VDD电源的稳压器。 MAX3420E IC仅用于USB外设或目标器件应用。集成的USB全速收发器支持12 Mbit/s速率。该IC支持三线和四线SPI实现。它还包括四个通用I/O线。

对于USB主机实现，Maxim提供MAX3421E。该IC包括8个通用I/O线。 I/O线可用于多种用途，但在某些情况下，允许主机MCU基本上回收MCU中不可用的I/O线，因为引脚专用于SPI链路。另请注意，Maxim的两个USB IC都包含内部信号电平转换器，因此SPI链路可以在1.4到3.6 V的电压范围内工作。

从模式SPI

同时，Microchip有几个USB-中心IC支持其在MCU领域的工作，包括MCP2200 USB转UART IC。 Microchip的最新产品完全不同，因为MCP2210 USB到SPI IC实现了SPI主模式链路。图2描绘了IC的框图。它集成了256个字节的EEPROM。

图2：Microchip新推出的MCP2100 USB控制器IC包括一个主模式SPI实现，可与总线供电的目标器件中的传感器，数据转换器和其他外设结合使用。

该IC可用于与MCU连接，但也可用于直接控制具有各种外设功能的基于SPI的IC。例如，您可以使用IC设计目标器件中没有MCU的支持USB的数据采集模块。这样的模块可以部署基于MCU的控制系统，甚至可以部署在PC上。

考虑USB供电数据采集模块的可能性。例如，Microchip提供基于SPI的MCP3204 A/D转换器，可以作为MCP2100控制器的从器件进行部署。该四通道数据转换器将允许USB主机通过USB电缆捕获数据。

Microchip提供了许多其他基于SPI的外设，这些外设可以组合在这样的目标器件中。 MCP2100 USB控制器集成了9条通用I/O线。使用基于SPI的MCP23S08 I/O端口扩展器IC可以添加8条额外的线路。如果您想了解有关该主题的更多信息，我们在最近的TechZone文章（“I/O端口扩展器在基于MCU的设计中提供灵活性”）中提供了端口扩展器，这些文章可在Digi-Key库中找到。

您还可以为基于MCP2210的设备添加内存和传感器功能。 25LC02 SPI EEPROM集成了2k位存储器。传感器选项包括基于SPI的TC77温度传感器。 Microchip在MCP2100中集成了USB HID（人工输入器件）级支持，并提供可以快速启动器件设计过程的驱动器。

选择是你的

USB支持可以证明是所有类型的嵌入式应用程序中的一个有价值的功能。该接口可以消除在设备中单独包含电源的需要。您可以轻松地将USB主机功能添加到基于MCU的系统中。基于USB的目标设备可以与基于MCU的主机或PC同样良好地工作。虽然支持MCU的MCU可能是您在面对USB设计时的首选，但专用控制器IC可能是最佳选择，尤其是在您将旧设备改装为USB或者您的设计需要低成本小型MCU的情况下