基于EZ-USB的數據傳輸接口設計

　?。啊∫?/FONT>

　?。眨樱驴刂破鞑捎猛ㄓ眠B接技術(shù)以實(shí)現與外設的簡(jiǎn)單快速連接，具有連接靈活、使用方便、速度快、擴展能力強等優(yōu)點(diǎn)，使得其一些高速、高精度的信號采集領(lǐng)域中，　具有極大的應用價(jià)值［１］?！。牛冢眨樱滦蛄行酒粒危玻保常保咽牵茫穑颍澹螅蠊镜膬惹段⒖刂破鞯模福埃穑椋畹模眨樱陆涌诳刂菩酒?，它采用了一種基于內部ＲＡＭ的解決方案，允許客戶(hù)隨時(shí)不斷地設置和升級，不受端口數、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制［２］。片內嵌有一個(gè)增強型８０５１微控制器，與標準的８０５１相比，其速度快３倍。本文將ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ２１３１Ｑ用于基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水聲信號采集及混沌特性研究系統中，實(shí)現了數據的高速傳輸。

　?。薄。眨樱驴刂破髋cＤＳＰ的連接

　?。保薄　。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟挠布B接

　　在ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９和ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ硬件連接中，采用ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔ?。椋睢。妫椋颍螅簟。铮酰簟。樱遥粒停┻B接方法，除了能確保ＤＳＰ和主機間的數據傳輸速度只受ＵＳＢ協(xié)議限制外，還能使ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之間的最大數據交換速度超過(guò)ＵＳＢ總線(xiàn)的速度。

　　由于ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ內嵌有加強型的８０５１處理器，可使用兩片ＦＩＦＯ（ＦＩＦＯ選用ＩＤＴ７２Ｖ０２，它具有１Ｋ×９位的內存）可以實(shí)現ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之間的雙向通信。從ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ或者ＤＳＰ傳輸的數據首先保存在ＦＩＦＯ中，然后再由ＤＳＰ或者ＡＮ２１３１Ｑ讀走，從而使得數據的傳輸不會(huì )出現堵塞情況，其硬件連接框圖如圖１所示。

　　圖１　　?。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟倪B接圖

　?。保病　　　　　　　。粒危玻保常保押停桑模裕罚玻郑埃驳倪B接

　?。桑模裕罚玻郑埃矤顟B(tài)信號有空（ＥＦ）、半滿(mǎn)（ＨＦ）和滿(mǎn)（ＦＦ），它們都在ＦＩＦＯ為低電平時(shí)有效。其與ＡＮ２１３１Ｑ的連接如圖２所示。

　　圖２　　?。粒危玻保常保押停桑模裕罚玻郑埃驳倪B接圖

　?。保场　。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟能浖B接

　?。眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保押停模樱兄g的軟件部分包括４個(gè)部分，分別是ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３ｌＱ對ＦＩＦ０１的寫(xiě)、ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ對ＦＩＦ０２的讀、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９對ＦＩＦ０１的讀、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９對ＦＩＦＯ２的寫(xiě)。為了描述的方便，將ＦＩＦ０１的３個(gè)狀態(tài)信號分別稱(chēng)為　、　和　，對應ＦＩＦ０２的為　、　、　。

　?。ǎ保眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保褜?xiě)ＦＩＦＯ１

　　當ＵＳＢ總線(xiàn)上有數據要傳送至ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９時(shí)，?。粒危玻保常保巡樵?xún)　，若　無(wú)效，?。粒危玻保常保岩淮蜗颍疲桑疲希睂?xiě)入一個(gè)數據包（數據包要小于或等于ＦＩＦＯ１容量的一半），而且ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１寫(xiě)入每一個(gè)字節時(shí)不需再查詢(xún)　。

　?。ǎ玻。裕停樱常玻埃茫担矗埃棺xＦＩＦＯ１

　?。裕停樱常玻埃茫担矗埃姑看螐模疲桑疲希敝凶x入一個(gè)數據包，每讀一個(gè)字節前，ＤＳＰ需要查詢(xún)　，只有當　無(wú)效（ＦＩＦＯ１不為空）時(shí)，ＤＳＰ才能進(jìn)行讀操作。

　?。ǎ常。裕停樱常玻埃茫担矗埃箤?xiě)ＦＩＦＯ２

　　當ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９有數據要傳送至主機時(shí)，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９把數據打包，每次向ＦＩＦＯ２中寫(xiě)入一包數據，方法與ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ寫(xiě)ＦＩＦＯ１相同，惟一不同的是ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９查詢(xún)的信號是　。寫(xiě)完一包數據后，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９通過(guò)操作控制字向ＵＳＢ控制ＡＮ２１３１Ｑ發(fā)一個(gè)中斷信號，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９在寫(xiě)下一包數據時(shí)必須等到ＡＮ２１３１Ｑ應答。ＡＮ２１３１Ｑ應答的方法是利用ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的外部中斷ＩＮＴ１中斷ＤＳＰ。

　?。ǎ矗眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保炎xＦＩＦＯ２

　?。眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保咽盏剑裕停樱常玻埃茫担矗埃拱l(fā)出的中斷信號，應答ＤＳＰ后，從ＦＩＦＯ２中讀入一包數據，不用再查詢(xún)　。

　?。病。眨樱陆涌谲浖O計

　?。眨樱陆涌谲浖饕譃槿糠郑汗碳绦?、驅動(dòng)程序、主機應用程序。主機應用程序通過(guò)驅動(dòng)程序與系統ＵＳＢＤＩ（?。眨樱隆。模澹觯椋悖濉。桑睿簦澹颍妫幔悖澹┻M(jìn)行通信，由系統產(chǎn)生ＵＳＢ數據的傳送動(dòng)作，固件程序則響應來(lái)自系統的ＵＳＢ標準請求，完成各種數據的交換的時(shí)間處理。

　?。玻薄。牛冢眨樱鹿碳绦蜷_(kāi)發(fā)

　　固件代碼存儲在ＡＮ２１３１Ｑ內部的８ＫＢＲ?。粒椭?，它是用來(lái)初始化ＵＳＢ總線(xiàn)設備的。固件代碼包括了設備的信息，它以描述符形式指定了制造商號、產(chǎn)品號和其他ＵＳＢ總線(xiàn)協(xié)議中所需要的信息，其主要功能是實(shí)現設備枚舉過(guò)程［３］。

　　為了簡(jiǎn)化和加速用戶(hù)對ＥＺ－ＵＳＢ芯片的開(kāi)發(fā)過(guò)程，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了Ｋｅｉｌ?。茫担薄…h(huán)境下編寫(xiě)固件程序的框架。該框架集成了開(kāi)發(fā)ＵＳＢ總線(xiàn)設備所需的基本函數，用戶(hù)可以在此基礎上加入自己的代碼實(shí)現特定的要求。固件程序框架如圖３所示。

　　圖３　?。牛谝唬眨樱鹿碳绦蚩蚣?/FONT>

　?。牛谝唬眨樱鹿碳绦蚩蚣苁紫瘸跏蓟械膬炔繝顟B(tài)變量，然后調用用戶(hù)初始化函數ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（），然后初始化ＵＳＢ總線(xiàn)設備接口為非配置狀態(tài)，并同時(shí)打開(kāi)中斷。當完成上面的任務(wù)后，ＥＺ一ＵＳＢ　固件程序就開(kāi)始重新枚舉設備直到端點(diǎn)０收到ＳＥＴＵＰ包為止。一旦ＥＺ－ＵＳＢ收到ＳＥＴＵＰ包，固件程序就開(kāi)始進(jìn)行任務(wù)分配［４］。任務(wù)分配就是依次重復地執行下面的過(guò)程：

　?。ǎ保≌{用用戶(hù)函數ＴＤ＿Ｐｏｌｌ（）。

　?。ǎ玻z測是否有標準的設備請求，如果有，則執行指令并做出相應的操作。

　?。ǎ常z測ＵＳＢ核是否有ＵＳＢ掛起事件。如果有ＵＳＢ掛起事件，則調用用戶(hù)程序ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）。當ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）返回為真時(shí)，ＵＳＢ核檢測是否有重新開(kāi)始事件。當檢測到有重新開(kāi)始的事件，ＵＳＢ調用用戶(hù)程序ＴＤ＿Ｒｅｓｕｍｅ（），并繼續執行步驟３．

　　固件代碼在Ｋｅｉｌ?。郑椋螅椋铮睿箔h(huán)境中編譯后，最終生成ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件。用ＵＳＢ線(xiàn)把ＤＳＰ開(kāi)發(fā)板接到ＰＣ機上，啟動(dòng)“ＥＺ－ＵＳＢ?。茫铮睿簦颍铮臁。校幔睿澹臁?，就可以把ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件下載到ＡＮＺ１３ｌＱ內部的８Ｋ?。遥粒汀≈?。

　?。玻病。牛冢眨樱买寗?dòng)程序開(kāi)發(fā)

　　驅動(dòng)程序（ＵＳＢＤ）是ＵＳＢ總線(xiàn)系統中負責管理ＵＳＢ的工作．?。眨樱驴偩€(xiàn)客戶(hù)軟件包含了用來(lái)控制不同ＵＳＢ總線(xiàn)外設的功能程序，它通過(guò)一個(gè)Ｗｉｎｄｏｗｓ定義的軟件接口與根集線(xiàn)器驅動(dòng)程序進(jìn)行通信；而ＵＳＢ總線(xiàn)根集線(xiàn)器驅動(dòng)程序則通過(guò)包含在ＵＳＢＤ中的ＵＳＢＤＩ（ＵＳＢ驅動(dòng)程序接口。）實(shí)現ＵＳＢＤ的通信；然后，ＵＳＢＤ　會(huì )選擇兩種主控制器之一同下方的主控制器進(jìn)行通信；最后，主控制器驅動(dòng)程序會(huì )通過(guò)ＰＣＩ枚舉器軟件直接實(shí)現對ＵＳＢ物理總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)。

　?。眨樱驴偩€(xiàn)設備驅動(dòng)程序必須遵循Ｗｉｎ３２驅動(dòng)程序模型（ＷＤＭ），其擴展名為．Ｓｙｓ。驅動(dòng)程序主要實(shí)現的功能包括：設備初始化；即插即用設備的創(chuàng )建和刪除；處理Ｗｉｎ３２打開(kāi)和關(guān)閉文件句柄請求；類(lèi)功能定義ＩＯ?。茫裕蹋ǎ桑稀。茫铮睿簦颍铮欤?、功能實(shí)現；ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ?。遥澹瘢酰澹螅簟。校幔悖耄澹簦┑恼{用處理；訪(fǎng)問(wèn)硬件。

　　為幫助設備和軟件的開(kāi)發(fā)者測試ＵＳＢ總線(xiàn)設備請求和數據傳輸的能力，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了ＥＺ＿?。眨樱峦ㄓ抿寗?dòng)程序ＧＰＤ（Ｇｅｎｅｒａｌ?。校酰颍穑铮螅濉。模颍椋觯澹颍?。ＧＰＤ是用來(lái)和基于ＥＺ＿?。眨樱峦庠O接口的通用設備驅動(dòng)程序，提供公共ＵＳＢ總線(xiàn)設備請求和數據傳輸的用戶(hù)態(tài)接口。使用ＧＰＤ作為起始點(diǎn)，可以創(chuàng )建用戶(hù)特有的驅動(dòng)程序。

　?。ǎ保〗ⅲ牛冢撸眨樱隆。牵校?/FONT>

　　建立ＧＤＰ需要微軟的ＷＤＭ?。模模撕臀④浀模郑椋螅酰幔臁。茫叮?。ＥＺ－ＵＳＢ的ＧＰＤ?。澹酰螅猓螅笫且粋€(gè)不用修改就可用的驅動(dòng)程序，在自行開(kāi)發(fā)外部設備的時(shí)，可以采用這個(gè)驅動(dòng)程序作為ＵＳＢ驅動(dòng)。

　?。ǎ玻∮脩?hù)態(tài)和ＧＰＤ的接口

　　對于用戶(hù)態(tài)的應用，可以使用ＶＣ＋＋編譯工具ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）。所有的用戶(hù)態(tài)通過(guò)Ｉ／Ｏ控制調用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)ＥＺ＿ＵＳＢ?。牵校牡?。一個(gè)用戶(hù)態(tài)程序首先通過(guò)調用一個(gè)Ｗｉｎ３２函數ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（?。﹣?lái)獲得設備驅動(dòng)程序的句柄。然后用Ｗｉｎ３２函數ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）通過(guò)ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（?。┖瘮捣祷氐木浔?，來(lái)提交Ｉ／Ｏ控制代碼和相關(guān)的輸入輸出緩沖區到驅動(dòng)程序。

　?。玻场。校脵C用戶(hù)程序開(kāi)發(fā)

　　后臺ＰＣ機用戶(hù)程序采用Ｖｉｓｕａｌ?。茫叮啊【帉?xiě)，主要功能是利用開(kāi)發(fā)的ＵＳＢ驅動(dòng)程序完成數據的發(fā)送和接收，并將數據保存為自己定義的格式。下面將詳細介紹利用ＵＳＢ驅動(dòng)程序中定義的控制通道和塊傳輸通道進(jìn)行數據接收和保存的過(guò)程，并給出部分關(guān)鍵代碼。

　?。ǎ保┐蜷_(kāi)ＵＳＢ設備

　?。拢希希獭。酰螅猓停幔颍?；　∥當前選定的ＵＳＢ　設備是否打開(kāi)標志。

　?。酰螅猓停幔颍耄剑希穑澹睿眨樱拢ǎ?；∥ＯｐｅｎＵＳＢ函數的功能是調用設備對應的驅動(dòng)程序，并獲得設備的描述，其返回值為?。拢希希绦?，可以依此判斷設備是否正確工作。

　?。ǎ玻┒x命令請求和數據結構。

　?。悖瑁幔颉。猓酰妫妫澹颍郏叮矗?；∥定義數據緩沖區；

　?。眨蹋希危恰。觯澹睿洌澹颍欤铮睿纾剑?；

　?。遥牛眩眨牛樱裕撸模粒裕痢。酰螅猓遥澹瘢酰澹螅?；∥定義ＵＳＢ　數據傳輸的請求結構。

　　所有的?。眨樱隆≡O備是通過(guò)缺省控制通道對主機的請求發(fā)出響應，這些請求是由驅動(dòng)程序控制傳送而完成的，請求以及請求的參數通過(guò)包的形式發(fā)向設備，這里定義的ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ就是請求的數據包，

　?。ǎ常┨顚?xiě)數據傳輸的請求并發(fā)送數據傳輸請求。

　?。眨樱拢樱澹睿洌遥澹瘢ǎΓ酰螅猓遥澹瘢酰澹螅?，＆ｂｕｆｆｅｒ［０］，ｖｅｎｄｅｒ－ｌｏｎｇ）；∥函數將請求交給ＵＳＢ　驅動(dòng)程序，由驅動(dòng)程序完成向ＵＳＢ設備的發(fā)送，ＵＳＢ設備接到請求后根據固件中的程序將數據發(fā)送回后臺ＰＣ機。

　?。ǎ矗┻M(jìn)行數據的接收，本文采用的是塊傳輸模式。

　?。拢眨蹋耍撸模粒裕痢。酰螅猓拢酰欤耄洌幔簦?；∥定義塊傳輸結構；

　?。猓酰欤耄茫铮睿簦颍铮欤穑椋穑澹危酰恚剑?；∥選擇傳輸管道；

　?。猓酰妫妫澹颍剑Γ颍澹悖澹椋觯澹洌幔簦郏埃?；∥定義接收緩存區；

　?。眨蹋希危恰。欤澹睿纾簦瑁剑叮?；∥預接收的數據長(cháng)度；

　?。拢酰欤耄洌幔簦幔樱澹睿洌ǎΓ酰螅猓拢酰欤耄洌幔簦?，ｂｕｆｆｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ）；

　　∥ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ為數據接收函數，　函數調用后傳回的數據保存在ｂｕｆｆｅｒ中。

　　經(jīng)過(guò)上述步驟即可把數據從ＤＳＰ保存到后臺ＰＣ機內存中。

　?。场〗Y語(yǔ)

　　本文使用ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ芯片實(shí)現了對高速信號的數據傳輸，　安裝簡(jiǎn)單，　支持即插即用；　無(wú)需外接電源；并將其應用到基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水聲信號采集及混沌特性研究系統通信中，充分驗證了此接口電路的可行性和具體設計的正確性。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：　通用串行總線(xiàn)ＵＳＢ是近年來(lái)一種新興的計算機外圍設備串行通信接口，它具有傳輸可靠、易于擴展、低價(jià)并可熱插撥等特性。本文將ＥＺ－ＵＳＢ　序列芯片ＡＮ２１３１Ｑ用于水聲信號采集及混沌特性研究系統中，實(shí)現ＤＳＰ與ＰＣ機間的通信，并在ＡＮ２１３１Ｑ與ＤＳＰ間加入兩片ＩＤＴ７２Ｖ０２，使得數據的傳輸不會(huì )出現堵塞情況，提高了傳輸的速度。