引言
通用串行總線(Universal Serial Bus,，USB)作為計(jì)算機(jī)上的新型接口技術(shù),，越來越受到人們的青睞。與以前的RS 232,，RS 485,，ISA，PCI和并行接口等接口相比,，USB避免了接口體積大,、接口規(guī)范不統(tǒng)一、不支持熱插拔等缺陷,，具有使計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備連接十分方便的優(yōu)點(diǎn),。目前，很多設(shè)備都開始使用USB接口來實(shí)現(xiàn),，如鼠標(biāo),、鍵盤、打印機(jī)等,。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作當(dāng)中,，也越來越多地采用了USB技術(shù)，如數(shù)據(jù)采集等,。USB的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中一個非常重要的部分,。
1 USB 2.0特點(diǎn)
USB是一種高效、快速,、價(jià)格低廉,、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔,，可以在不重新啟動計(jì)算機(jī)的情況下直接將USB外部設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)并開始通信,。
USB具有以下主要特點(diǎn)：
(1)節(jié)省系統(tǒng)資源。在計(jì)算機(jī)中,，系統(tǒng)為USB主控制器分配一根中斷控制線和一些輸入/輸出地址,，USB再為外部設(shè)備分配惟一的地址。
(2)可以提供電源,。計(jì)算機(jī)上的USB接口可以向外部設(shè)備提供一定的電力支持,，其輸出電流最小值為100 mA,，最大值為500 mA，輸出電壓為5 V,。
(3)良好的兼容性,。USB規(guī)范已經(jīng)有USB 1.O，USB 1.1,，USB 2.O,，無線USB等多個版本的協(xié)議，這些協(xié)議都有很好的向下兼容性,。
(4)共享式接口,。USB采用“菊花鏈”式的連接方式，同時支持多個設(shè)備的連接,，一個USB主控制器最多可以連接126個外部設(shè)備,。
2 CY7C68013A的主要特點(diǎn)
CY7C68013A是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列低功耗版本單片機(jī)，具有和8051兼容的CPU和指令系統(tǒng),，同時包括USB接口和完整的USB 2.0協(xié)議引擎,，并且提供了完善的固件及主機(jī)程序開發(fā)包。該單片機(jī)的CPU采用的是增強(qiáng)型805l內(nèi)核,，比標(biāo)準(zhǔn)的8051的速度快,，硬件資源更為豐富，功能更強(qiáng)大,。主要具有以下特點(diǎn)：
(1)具有第二個數(shù)據(jù)指針;
(2)具有第二個USATRT;
(3)I2C總線接口;
(4)8個額外的中斷(INT2～I(xiàn)NT6，WAKEUP,，T2,，USARTl);
(5)CPU時鐘可以運(yùn)行在12 MHz，24 MHz,，48 MHz,。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于USB的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含兩個方面的內(nèi)容，分別為固件程序的開發(fā)和上位機(jī)(主機(jī))控制界面的設(shè)計(jì),。CY7C68013A芯片采用的是一種軟配置模式,，即程序和數(shù)據(jù)都存放在內(nèi)部RAM中，并從RAM中開始執(zhí)行,。
3.1 啟動模式的選擇
EZ-USB在沒有固件的情況下列舉為一個缺省的USB設(shè)備,，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開始執(zhí)行固件程序,，此時模擬一個物理上的斷開重新連接過程,。在列舉為一個USB設(shè)備時，根據(jù)芯片有沒有連接E2PROM,，以及E2PROM中第一個字節(jié)值的不同,，其處理方式有很多,。主要有：不連接E2PROM的缺省設(shè)備列舉、CO加載,、C2加載等啟動方式,。在此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用第一種方式,，即芯片沒有連接任何片外存儲器,，USB的描述符以及VID，PID和DID等均由芯片內(nèi)置的邏輯提供,，然后根據(jù)驅(qū)動程序中提供的VID,，PID和DID把主機(jī)上對應(yīng)的固件程序下載到片內(nèi)的RAM中，并執(zhí)行固件代碼,。該方式具有硬件連接簡單,，節(jié)省器件等特點(diǎn)。
3.2 硬件系統(tǒng)框圖
整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示,?？梢钥闯鯱SB控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到橋梁作用，用于連接上位機(jī)和外部設(shè)備,。
上位機(jī)發(fā)送控制指令給USB設(shè)備,，信息處于下行狀態(tài)，解碼后用來控制外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)功能,。上位機(jī)需要從外設(shè)獲得信息(如數(shù)據(jù)采集),，信息處于上行狀態(tài)，由USB設(shè)備負(fù)責(zé)控制外設(shè)并將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī),，由上位機(jī)分析,、顯示。
3.3 固件程序設(shè)計(jì)
在固件中,，主要實(shí)現(xiàn)芯片外圍設(shè)備的控制,，以及對USB設(shè)備的功能描述等任務(wù)，同時負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信,，響應(yīng)上位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請求和自定義請求,。
描述符主要是讓上位機(jī)了解USB功能設(shè)備的基本配置信息和能力，如端點(diǎn),、接口等,。在此主要使用標(biāo)準(zhǔn)描述符來說明USB設(shè)備，如設(shè)備描述符,、配置描述符,、接口描述符、端點(diǎn)描述符,、設(shè)備限定描述符等,。在該設(shè)備中,，這些描述符的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)中使用了2個配置描述符,，分別為高速配置和全速配置,，每個配置使用1個接口，并對應(yīng)1個接口描述符,，每個接口應(yīng)用了4個端點(diǎn),，對應(yīng)4個端點(diǎn)描述符。同時端點(diǎn)配置為塊傳輸模式,，2,、4端點(diǎn)為OUT，6,、8端點(diǎn)為IN,，最大數(shù)據(jù)包長度為512 B，上位機(jī)通過O端點(diǎn)來操作,、控制USB設(shè)備,。設(shè)備描述符中VID=Ox04B4，PID=0x1304,，用于指示設(shè)備供應(yīng)商和產(chǎn)品信息,，并用于上電時幫助主機(jī)加載合適的驅(qū)動程序，進(jìn)而下載相應(yīng)的固件程序,。固件中對標(biāo)準(zhǔn)請求的響應(yīng)部分,，主要是讓上位機(jī)能夠?qū)γ枋龇M(jìn)行讀取和寫操作。自定義請求響應(yīng)主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)送控制命令,，來使能USB功能設(shè)備,、以及執(zhí)行相應(yīng)的功能的目的，如DR_SendData,，DR_ReadData,。
固件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示,。
用戶初始化設(shè)備部分放在TD_Init()子程序中,，負(fù)責(zé)整個USB設(shè)備的初始化過程。在定向描述符之后,，需要把所用中斷打開,，并開啟8051全局中斷EA=1。由于EZ-USB設(shè)備啟動需要重列舉,，因而需要通過設(shè)置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來模擬設(shè)備物理上的斷開和連接過程,。用戶外圍設(shè)備控制功能的實(shí)現(xiàn)放在TD_Poll()子程序中，同時主循環(huán)中的SetupCommand()子程序用于接收,、分析上位機(jī)的控制信號,，響應(yīng)上位機(jī)請求(標(biāo)準(zhǔn)請求和用戶自定義請求),。
3.4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)
為了能夠很好地控制USB設(shè)備，需要編寫上位機(jī)控制界面,。界面程序在VC++6.O環(huán)境下開發(fā),，該環(huán)境具有編程簡單、快捷等的特點(diǎn),，便于開發(fā)可視化程序,。Cypress公司為EZ_USB系列芯片提供了開發(fā)庫CyAPI.lib，使用其中的控制函數(shù)類,，可以在VC++6.0環(huán)境下開發(fā)界面程序,。建立MFC(exe)工程后，在工程中加入CyAPI.lib,，并且在主文件頭部添加EZ-USB開發(fā)環(huán)境中提供的CyAPI.h,，cyioctl.h頭文件。利用庫中的控制函數(shù),，如VendorID,，ProductID等，可以獲取USB設(shè)備的描述信息,，同時也可以編寫相關(guān)的控制功能程序,。
3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題
(1)一個設(shè)備只能有一個設(shè)備描述符，可以有多個配置描述符,，多個接口描述符,，以及多個端點(diǎn)描述符。
(2)設(shè)備描述符中VID,，PID要與驅(qū)動中的相一致,，否則不能自動加載相應(yīng)的固件程序。
(3)固件程序必須轉(zhuǎn)換為.spt格式,，用于固件加載的驅(qū)動程序和固件程序應(yīng)放在一個文件夾,。
(4)端點(diǎn)0為缺省控制端點(diǎn)，其可設(shè)置最大數(shù)據(jù)包長度為64 B,，在設(shè)備描述符中wMaxPacketSize字段描述,。
(5)傳輸模式有中斷傳輸、塊傳輸,、同步傳輸,、控制傳輸四類，需根據(jù)自己設(shè)計(jì)需求選擇,，同時注意最大數(shù)據(jù)包長度的設(shè)置,。
4 驅(qū)動程序
對于USB設(shè)備，Windows操作系統(tǒng)要想對其實(shí)現(xiàn)操作，必須借助于驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn),。主機(jī)和驅(qū)動程序直接通信,，交換數(shù)據(jù)，而驅(qū)動程序則和硬件資源進(jìn)行通信,，從而很好地控制USB設(shè)備,。Cypress提供的開發(fā)環(huán)境中自帶了相關(guān)的驅(qū)動程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用,，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期,。其中CyLoad.sys用于主機(jī)向USB設(shè)備下載固件程序，CyUSB.sys實(shí)現(xiàn)主機(jī)和固件程序通信,。為了在CyLoad.sys的幫助下實(shí)現(xiàn)固件的自動下載,，固件程序CyLoad.HEX必須轉(zhuǎn)換為適合自動下載的CyLoad.spt文件，并且與CyLoad.sys一起放在CyLoad文件夾下,，拷貝到系統(tǒng)system32目錄下,。在安裝文件CyUSB.inf中設(shè)置的PID，VID必須和描述符中的一致,，使得能夠自動加載對應(yīng)固件,。
5 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用CY7C68013A-56pin作為USB設(shè)備芯片,，實(shí)現(xiàn)控制LED和讀取I/O數(shù)據(jù)功能,。由于芯片采用3.3 V電壓供電，因此可以從主機(jī)USB口取電,，經(jīng)LM317電壓調(diào)整芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V,，也可外接3.3 V電壓供電。在PD口接LED,，顯示TD_Poll(void)實(shí)現(xiàn)的功能(燈亮/滅間隔300 ms),，而PA口LED用于顯示判斷主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。PB口接高/低電平,，用于主機(jī)讀取該口數(shù)據(jù),，可以驗(yàn)證主機(jī)接收數(shù)據(jù)的正確性。
初始化子程序：
主機(jī)控制界面運(yùn)行如圖4所示,。
界面中的USB Information分類框中為USB描述相關(guān)信息,，由主機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)請求獲得。Operation分類框中為主機(jī)向USB設(shè)備PA口發(fā)送數(shù)據(jù),，以及從USB設(shè)備的PB讀取數(shù)據(jù)的情況,。
6 結(jié)語
采用CY7C68013A實(shí)現(xiàn)USB控制系統(tǒng),，無論在固件程序編寫,、主機(jī)控制界面開發(fā)，以及設(shè)備驅(qū)動程序的使用等方面，都具有簡單,、方便的優(yōu)點(diǎn),。系統(tǒng)采用設(shè)備固件存放在主機(jī)上的方法，不但簡化了硬件設(shè)計(jì),，節(jié)約元器件成本,，而且也提高了設(shè)備的可靠性。同時,，此法對以后固件升級或更改設(shè)備功能,，也十分簡便，只需把固件修改好并放到主機(jī)相應(yīng)位置,，在USB設(shè)備再次插入主機(jī)時,，就可以實(shí)現(xiàn)固件自動更新。文中給出一些設(shè)計(jì)過程中需要注意的關(guān)鍵問題,，對于USB控制設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用,。上述系統(tǒng)和程序經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定,、可靠,。