采用CY7C68013A實(shí)現USB控制系統

　　引言

　　通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，USB)作為計算機上的新型接口技術(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、接口規范不統一、不支持熱插拔等缺陷，具有使計算機與外部設備連接十分方便的優(yōu)點(diǎn)。目前，很多設備都開(kāi)始使用USB接口來(lái)實(shí)現，如鼠標、鍵盤(pán)、打印機等。在實(shí)際設計工作當中，也越來(lái)越多地采用了USB技術(shù)，如數據采集等。USB的設計和應用已經(jīng)成為現代電子設計中一個(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)計算機的情況下直接將USB外部設備連接到計算機并開(kāi)始通信。

　　USB具有以下主要特點(diǎn)：

　　(1)節省系統資源。在計算機中，系統為USB主控制器分配一根中斷控制線(xiàn)和一些輸入/輸出地址，USB再為外部設備分配惟一的地址。

　　(2)可以提供電源。計算機上的USB接口可以向外部設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規范已經(jīng)有USB 1.O，USB 1.1，USB 2.O，無(wú)線(xiàn)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)設備的連接，一個(gè)USB主控制器最多可以連接126個(gè)外部設備。

　　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，具有和8051兼容的CPU和指令系統，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程序開(kāi)發(fā)包。該單片機的CPU采用的是增強型805l內核，比標準的8051的速度快，硬件資源更為豐富，功能更強大。主要具有以下特點(diǎn)：

　　(1)具有第二個(gè)數據指針;

　　(2)具有第二個(gè)USATRT;

　　(3)I2C總線(xiàn)接口;

　　(4)8個(gè)額外的中斷(INT2～INT6，WAKEUP，T2，USARTl);

　　(5)CPU時(shí)鐘可以運行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。

　　3 控制系統設計

　　基于USB的控制系統設計主要包含兩個(gè)方面的內容，分別為固件程序的開(kāi)發(fā)和上位機(主機)控制界面的設計。CY7C68013A芯片采用的是一種軟配置模式，即程序和數據都存放在內部RAM中，并從RAM中開(kāi)始執行。

　　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設備，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開(kāi)始執行固件程序，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設備時(shí)，根據芯片有沒(méi)有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個(gè)字節值的不同，其處理方式有很多。主要有：不連接E2PROM的缺省設備列舉、CO加載、C2加載等啟動(dòng)方式。在此系統的設計過(guò)程中，采用第一種方式，即芯片沒(méi)有連接任何片外存儲器，USB的描述符以及VID，PID和DID等均由芯片內置的邏輯提供，然后根據驅動(dòng)程序中提供的VID，PID和DID把主機上對應的固件程序下載到片內的RAM中，并執行固件代碼。該方式具有硬件連接簡(jiǎn)單，節省器件等特點(diǎn)。

　　3.2 硬件系統框圖

　　整個(gè)系統的硬件框圖如圖1所示?？梢钥闯?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/USB控制">USB控制系統在整個(gè)系統中起到橋梁作用，用于連接上位機和外部設備。

　　上位機發(fā)送控制指令給USB設備，信息處于下行狀態(tài)，解碼后用來(lái)控制外圍設備執行相應功能。上位機需要從外設獲得信息(如數據采集)，信息處于上行狀態(tài)，由USB設備負責控制外設并將數據傳送到上位機，由上位機分析、顯示。

　　3.3 固件程序設計

　　在固件中，主要實(shí)現芯片外圍設備的控制，以及對USB設備的功能描述等任務(wù)，同時(shí)負責與上位機通信，響應上位機的標準請求和自定義請求。

　　描述符主要是讓上位機了解USB功能設備的基本配置信息和能力，如端點(diǎn)、接口等。在此主要使用標準描述符來(lái)說(shuō)明USB設備，如設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、設備限定描述符等。在該設備中，這些描述符的層次結構如圖2所示。

　　系統中使用了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，并對應1個(gè)接口描述符，每個(gè)接口應用了4個(gè)端點(diǎn)，對應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，最大數據包長(cháng)度為512 B，上位機通過(guò)O端點(diǎn)來(lái)操作、控制USB設備。設備描述符中VID=Ox04B4，PID=0x1304，用于指示設備供應商和產(chǎn)品信息，并用于上電時(shí)幫助主機加載合適的驅動(dòng)程序，進(jìn)而下載相應的固件程序。固件中對標準請求的響應部分，主要是讓上位機能夠對描述符進(jìn)行讀取和寫(xiě)操作。自定義請求響應主要實(shí)現上位機發(fā)送控制命令，來(lái)使能USB功能設備、以及執行相應的功能的目的，如DR_SendData，DR_ReadData。

　　固件設計流程圖如圖3所示。

　　用戶(hù)初始化設備部分放在TD_Init()子程序中，負責整個(gè)USB設備的初始化過(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設備啟動(dòng)需要重列舉，因而需要通過(guò)設置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來(lái)模擬設備物理上的斷開(kāi)和連接過(guò)程。用戶(hù)外圍設備控制功能的實(shí)現放在TD_Poll()子程序中，同時(shí)主循環(huán)中的SetupCommand()子程序用于接收、分析上位機的控制信號，響應上位機請求(標準請求和用戶(hù)自定義請求)。

　　3.4 上位機界面設計

　　為了能夠很好地控制USB設備，需要編寫(xiě)上位機控制界面。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CyAPI.lib，使用其中的控制函數類(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。利用庫中的控制函數，如VendorID，ProductID等，可以獲取USB設備的描述信息，同時(shí)也可以編寫(xiě)相關(guān)的控制功能程序。

　　3.5 系統設計中關(guān)鍵問(wèn)題

　　(1)一個(gè)設備只能有一個(gè)設備描述符，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)設備描述符中VID，PID要與驅動(dòng)中的相一致，否則不能自動(dòng)加載相應的固件程序。

　　(3)固件程序必須轉換為.spt格式，用于固件加載的驅動(dòng)程序和固件程序應放在一個(gè)文件夾。

　　(4)端點(diǎn)0為缺省控制端點(diǎn)，其可設置最大數據包長(cháng)度為64 B，在設備描述符中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)，需根據自己設計需求選擇，同時(shí)注意最大數據包長(cháng)度的設置。

　　4 驅動(dòng)程序

　　對于USB設備，Windows操作系統要想對其實(shí)現操作，必須借助于驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現。主機和驅動(dòng)程序直接通信，交換數據，而驅動(dòng)程序則和硬件資源進(jìn)行通信，從而很好地控制USB設備。Cypress提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境中自帶了相關(guān)的驅動(dòng)程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用，縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期。其中CyLoad.sys用于主機向USB設備下載固件程序，CyUSB.sys實(shí)現主機和固件程序通信。為了在CyLoad.sys的幫助下實(shí)現固件的自動(dòng)下載，固件程序CyLoad.HEX必須轉換為適合自動(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system32目錄下。在安裝文件CyUSB.inf中設置的PID，VID必須和描述符中的一致，使得能夠自動(dòng)加載對應固件。

　　5 實(shí)驗

　　實(shí)驗系統，采用CY7C68013A-56pin作為USB設備芯片，實(shí)現控制LED和讀取I/O數據功能。由于芯片采用3.3 V電壓供電，因此可以從主機USB口取電，經(jīng)LM317電壓調整芯片轉換為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)現的功能(燈亮/滅間隔300 ms)，而PA口LED用于顯示判斷主機發(fā)送數據。PB口接高/低電平，用于主機讀取該口數據，可以驗證主機接收數據的正確性。

　　初始化子程序：

　　主機控制界面運行如圖4所示。

　　界面中的USB Information分類(lèi)框中為USB描述相關(guān)信息，由主機通過(guò)標準請求獲得。Operation分類(lèi)框中為主機向USB設備PA口發(fā)送數據，以及從USB設備的PB讀取數據的情況。

　　6 結語(yǔ)

　　采用CY7C68013A實(shí)現USB控制系統，無(wú)論在固件程序編寫(xiě)、主機控制界面開(kāi)發(fā)，以及設備驅動(dòng)程序的使用等方面，都具有簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)。系統采用設備固件存放在主機上的方法，不但簡(jiǎn)化了硬件設計，節約元器件成本，而且也提高了設備的可靠性。同時(shí)，此法對以后固件升級或更改設備功能，也十分簡(jiǎn)便，只需把固件修改好并放到主機相應位置，在USB設備再次插入主機時(shí)，就可以實(shí)現固件自動(dòng)更新。文中給出一些設計過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題，對于USB控制設備的設計具有一定的指導作用。上述系統和程序經(jīng)過(guò)實(shí)際運行，工作穩定、可靠。