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(lái)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(kāi)始使用USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)等。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，也越來(lái)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(gè)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(dòng)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(kāi)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(wú)線USB等多個(gè)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(shí)支持多個(gè)設(shè)備的連接，一個(gè)USB主控制器最多可以連接126個(gè)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(shí)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(kāi)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(gè)數(shù)據(jù)指針;

　　(2)具有第二個(gè)USATRT;

　　(3)I2C總線接口;

　　(4)8個(gè)額外的中斷(INT2～I(xiàn)NT6，WAKEUP，T2，USARTl);

　　(5)CPU時(shí)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(gè)方面的內(nèi)容，分別為固件程序的開(kāi)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(kāi)始執(zhí)行。

　　3.1 啟動(dòng)模式的選擇

　　EZ-USB在沒(méi)有固件的情況下列舉為一個(gè)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(kāi)始執(zhí)行固件程序，此時(shí)模擬一個(gè)物理上的斷開(kāi)重新連接過(guò)程。在列舉為一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，根據(jù)芯片有沒(méi)有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個(gè)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(dòng)方式。在此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用第一種方式，即芯片沒(méi)有連接任何片外存儲(chǔ)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(dòng)程序中提供的VID，PID和DID把主機(jī)上對(duì)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(jiǎn)單，節(jié)省器件等特點(diǎn)。

　　3.2 硬件系統(tǒng)框圖

　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。可以看出USB控制系統(tǒng)在整個(gè)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(lái)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(duì)USB設(shè)備的功能描述等任務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，響應(yīng)上位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和自定義請(qǐng)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(lái)說(shuō)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(gè)配置描述符，分別為高速配置和全速配置，每個(gè)配置使用1個(gè)接口，并對(duì)應(yīng)1個(gè)接口描述符，每個(gè)接口應(yīng)用了4個(gè)端點(diǎn)，對(duì)應(yīng)4個(gè)端點(diǎn)描述符。同時(shí)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(zhǎng)度為512 B，上位機(jī)通過(guò)O端點(diǎn)來(lái)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(shí)幫助主機(jī)加載合適的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而下載相應(yīng)的固件程序。固件中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)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(xiě)操作。自定義請(qǐng)求響應(yīng)主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)送控制命令，來(lái)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(gè)USB設(shè)備的初始化過(guò)程。在定向描述符之后，需要把所用中斷打開(kāi)，并開(kāi)啟8051全局中斷EA=1。由于EZ-USB設(shè)備啟動(dòng)需要重列舉，因而需要通過(guò)設(shè)置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來(lái)模擬設(shè)備物理上的斷開(kāi)和連接過(guò)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(shí)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(hào)，響應(yīng)上位機(jī)請(qǐng)求(標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和用戶自定義請(qǐng)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(xiě)上位機(jī)控制界面。界面程序在VC++6.O環(huán)境下開(kāi)發(fā)，該環(huán)境具有編程簡(jiǎn)單、快捷等的特點(diǎn)，便于開(kāi)發(fā)可視化程序。Cypress公司為EZ_USB系列芯片提供了開(kāi)發(fā)庫(kù)CyAPI.lib，使用其中的控制函數(shù)類(lèi)，可以在VC++6.0環(huán)境下開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境中提供的CyAPI.h，cyioctl.h頭文件。利用庫(kù)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(shí)也可以編寫(xiě)相關(guān)的控制功能程序。

　　3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問(wèn)題

　　(1)一個(gè)設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符，可以有多個(gè)配置描述符，多個(gè)接口描述符，以及多個(gè)端點(diǎn)描述符。

　　(2)設(shè)備描述符中VID，PID要與驅(qū)動(dòng)中的相一致，否則不能自動(dòng)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(dòng)程序和固件程序應(yīng)放在一個(gè)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(zhǎng)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(lèi)，需根據(jù)自己設(shè)計(jì)需求選擇，同時(shí)注意最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的設(shè)置。

　　4 驅(qū)動(dòng)程序

　　對(duì)于USB設(shè)備，Windows操作系統(tǒng)要想對(duì)其實(shí)現(xiàn)操作，必須借助于驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。主機(jī)和驅(qū)動(dòng)程序直接通信，交換數(shù)據(jù)，而驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)環(huán)境中自帶了相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用，縮短了系統(tǒng)的開(kāi)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(dòng)下載，固件程序CyLoad.HEX必須轉(zhuǎn)換為適合自動(dòng)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(dòng)加載對(duì)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(lèi)框中為USB描述相關(guān)信息，由主機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求獲得。Operation分類(lèi)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(yǔ)

　　采用CY7C68013A實(shí)現(xiàn)USB控制系統(tǒng)，無(wú)論在固件程序編寫(xiě)、主機(jī)控制界面開(kāi)發(fā)，以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的使用等方面，都具有簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)，此法對(duì)以后固件升級(jí)或更改設(shè)備功能，也十分簡(jiǎn)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(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)固件自動(dòng)更新。文中給出一些設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)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(guò)實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定、可靠。