摘 要： 介紹了USB總線的特點和分層結構，分析了TMS320F2812擴展CY7C68013A芯片控制USB接口與上位機通信的實現方法，在此基礎上利用HyperLynx軟件對USB接口的差分數據信號進行了仿真。
關鍵詞： USB; TMS320F2812; CY7C68013
本文所闡述的內容是依托于一個便攜式設備巡檢系統。系統的硬件是由電源管理模塊、信號處理模塊、數據采集模塊、以TMS320F2812為核心的微處理器模塊、液晶顯示模塊、接口模塊構成，軟件主要是由巡檢管理軟件構成。便攜式設備巡檢系統結構圖如圖1所示。
1 USB總線的特點及分層結構
1.1 USB接口的特點
以前的外部設備是通過RS232、RS485、并行接口、PCI接口和PS/2接口等老式專用接口來實現與計算機的通信。與老式計算機接口相比，USB接口具有以下優點[1]：
(1)接口小巧。USB接口具有很明顯的體積優勢，順應了計算機和外部設備小型化的發展趨勢。
(2)共享式接口。USB接口采用了“菊花鏈”的連接方式，支持多個外設連接。通過USB集線器，一個USB主控制器最多可以連接126個外設，大大拓展了計算機的外部功能。
(3)支持即插即用和熱插拔。當USB設備連接到計算機時，系統會自動檢測這個設備，并加載對應的驅動程序。這樣，USB實現了自動配置，用戶無需任何手動配置，連接設備不需要重新啟動計算機,用戶也可以隨時斷開USB設備與計算機的連接，而不會損害計算機和外部設備。
(4)支持多種操作。目前USB支持3種傳輸速率：低速1.5 Mb/s、全速12 Mb/s和高速480 Mb/s。同時，USB還支持4種類型的傳輸模式：塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和控制傳輸，可以滿足不同外設的功能需要。
(5)提供電源。計算機上的USB接口可以向外提供一定功率的電源，其輸出電流的最小值為100 mA，最大為500 mA，輸出電壓為5 V，并且USB協議中規定了完備的電源管理方式，如果外部設備耗電不大，可以考慮使用USB接口直接供電，十分方便。
(6)良好的兼容性。USB規范發展至今已有USB1.0、USB1.1、USB2.0、無線USB和USB OTG等多個版本協議，這些協議都具有很好的向下兼容性。
1.2 USB系統的分層結構
(1)功能層：主要負責數據傳輸操作，功能層由USB設備的功能單元和對應的USB主機程序組成。特定的USB主機程序段用于與特定的USB設備功能單元的通信。
(2)USB設備層：主要用于管理USB設備、分配USB地址、讀取設備描述符。在這一層中，可以使USB主機獲得該USB設備的能力。這部分功能一方面需要USB主機自動完成，另一方面也需要用戶編寫相應的固件程序進行支持。
(3)USB總線接口層：主要用于實現USB主機和USB設備之間的數據傳輸。在USB協議中，USB總線接口使用NRZI編碼(反向非歸零編碼)來傳輸數據，USB主控制器和USB集線器將數據接收或發送，并自動進行解碼或編碼，這部分一般由USB系統硬件自動完成。
2 TMS320F2812外部USB接口擴展
Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款繼承了USB2.0協議的微處理器,最典型的就是CY7C68013，其強大功能包括USB接口以及與8051兼容的指令系統，但是其功耗比較大，絕對值高達936mW。因此，Cypress公司隨后又推出了低功耗版本EZ-USB FX2LP系列芯片,其中用的比較多的是CY7C68013A芯片，本文就選用CY7C68013A作為USB接口的控制芯片。
2.1 CY7C68013A結構簡介
CY7C68013A芯片內部結構主要包括USB2.0收發器、串行引擎(SIE)、 增強型8051內核、 16 KB的RAM、
4 KB的FIFO存儲器、I/O接口、數據總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)[2]。
CY7C68013A的CPU采用增強型8051內核，指令集與標準的8051完全兼容。CY7C68013A的一個指令周期包含4個時鐘周期，而對于標準的8051而言，一個指令周期則需要12個時鐘周期來完成。除了CPU處理速度上的差異外，還進行了如下改進：
(1)具有第二個數據指針；
(2)具有第二個USART；
(3)具有第三個16 位定時器(T2)；
(4)具有非復用的高速16位外部存儲器接口；
(5)8個額外的中斷(INT2-6、WAKEUP、T2和USART1)；
(6)FIFO/GPIF數據傳輸模式；
(7)具有3個喚醒源的休眠模式；
(8)I2C總線接口；
(9)最多5個8位并行I/O端口。
2.2 TMS320F2812擴展CY7C68013A控制USB接口
由于TMS320F2812內部沒有集成USB控制器，所以要實現TMS320F2812通過USB接口與上位機進行通信，就需要外擴一個USB控制器，本文選用CY7C68013A作為USB控制器。基于CY7C68013A主要用于控制USB接口通信，并不對其他設備進行操作，設計中選用了Cypress公司提供的簡化版本的56引腳CY7C68013A，包含PA、PB、PD共3個8 bit并行I/O口。其中PB、PD組成16 bit數據總線，連接到TMS320F2812的GPIO口，負責數據傳輸；PA復用為USB通信的地址、時序控制和狀態信號[3]。CY7C68013A提供了兩種接口模式：slave FIFO和GPIF。設計中選用了slave FIFO接口模式,以便于TMS320F2812可以像普通FIFO一樣對CY7C68013A中的端點數據緩沖區進行讀寫。TMS320F2812擴展CY7C68013A與USB接口電路原理圖如圖2所示。
3 USB接口差分數據信號的仿真
便攜式巡檢系統通過USB接口與上位機進行通信。對于USB接口的數據線采用差分布線的方式,以保證信號傳輸的質量，抑制干擾。通常認為信號在傳輸時采用3種方式：單點對單點、差分模式和共模模式。相比于單點對單點模式，差分信號有著明顯的不足，就是它需要兩根走線，如果PCB上信號都采用差分布線的方式，可以想象電路設計者會陷入絕境。但是差分信號又有著其不可替代的優點[3]：
(1)差分信號在低電平應用時非常有效。因為如果一個信號的電平非常低，那么這個信號就比較容易受到其他信號的干擾，而差分信號使這個信號的電平加倍。
(2)由于差分信號是電平相同而且反向的兩根信號，不需要參考平面作為信號回路，這樣就不需要地平面或電源平面的連續性和完整性。
(3)如果兩根信號都存在噪聲干擾，就可以通過相減來抵消噪聲，因此差分信號對信號干擾有著天然的免疫力。
(4)相對于單點信號，差分信號的開關時序會比較精確，因為單點信號受到噪聲干擾后時序或占空比通常會發生變化。
對于差分布線，如果兩根信號線的長度不相等，在接收端收到信號的相位會發生變化，因此進行差分布線時，要將差分信號對約束為等長布線。對于USB的差分信號仿真圖如圖3所示。
由圖3可以觀察到，沒有接電阻端的差分信號存在較強的過沖和振鈴現象，容易引起時鐘或數據的誤判。針對這種現象，通過HyperLynx計算出差分阻抗為159 Ω，而實際中只能選用與159 Ω相近的160 Ω電阻代替。通過在差分信號接收端端接160 Ω電阻來優化差分布線，改善了差分信號存在的過沖和振鈴現象，保證了設備巡檢系統的穩定運行。經過優化，端接了160 Ω電阻的差分信號仿真圖如圖4所示。
由圖4可以觀察到，經過端接160 Ω電阻優化后，差分信號線的過沖和振鈴現象得到了很好的抑制。
USB以其小巧的體積、強大的功能、高效的傳輸速度及兼容性強等優勢迅速成為各嵌入式系統與上位機進行通信的重要方式。本文基于實際項目，分析了USB通信的特點與優勢，進一步給出了TMS320F2812擴展CY7C68013A控制USB接口與上位機進行通信的硬件設計。并且使用HyperLynx軟件對USB的差分數據信號進行仿真，改進了硬件設計，確保便攜式設備巡檢系統在工業現場的可靠運行。
參考文獻
[1] 薛園園. USB應用開發技術大全[M]. 北京：人民郵電出版社，2007.
[2] CypressSemiconductor.CY7C68013A Data Sheet[EB/OL]. 1994. www.cypress.com.
[3] 蘇奎峰，呂強，常天慶等. TMS320X281x DSP原理及C程序開發[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] 張海風. HyperLynx仿真與PCB設計[M]. 北京：機械工業出版社，2006.