USB(通用串行總線)是一種新的數(shù)據(jù)通信接口方式，它使得外圍沒備到計算機的連接更加高效、便利。USB接口不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點，而且能同時連接多達127個外部設備，可以有效地解決PC機外圍接口不足的問題。目前USB這一接口形式在微電子控制系統(tǒng)的設計中得到了廣泛應用。
在近期參與開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，應客戶要求需要將USB接口引入到數(shù)控系統(tǒng)中。由于該USB數(shù)據(jù)通信接口設計僅是系統(tǒng)設計的一個很小的部分，如果仍采用傳統(tǒng)的設計方法實現(xiàn)，那么將耗費較多的時間和精力，而且最終也未必能獲得理想的效果。為了擺脫常規(guī)USB數(shù)據(jù)接口設計的難度，加快系統(tǒng)開發(fā)進程，我們引入了基于FT245BM的快速USB接口設計，使系統(tǒng)開發(fā)節(jié)奏加快，保證整套系統(tǒng)設計周期的縮短。
1 FT245BM芯片簡介
FT245BM是FTDI(Future Technology Devices IntlLtd)公司的多種快速USB通信接口解決方案之一。它無需編寫片內(nèi)固件程序，上層PC機則使用FTDI公司提供的官方驅(qū)動程序。FT245BM芯片的主要功能是在內(nèi)部硬件邏輯的作用下實現(xiàn)USB串行數(shù)據(jù)格式與并行數(shù)據(jù)格式的雙向轉(zhuǎn)換。PC機通過USB接口與FT245BM進行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)T245BM則通過并行方式與下位微控制器通信。FT25BM芯片引腳見圖1。
該芯片有如下特點：
單芯片實現(xiàn)USB與并行FIFO緩沖區(qū)的雙向數(shù)據(jù)傳輸；FTDI公司提供VCP(虛擬串行口)和D2XX兩種驅(qū)動程序，使用D2XX驅(qū)動程序能獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，傳輸速率最大可達1 MB／s；通過簡單的四線握手信號與MCU、CPLD、FPGA等邏輯器件接口；完整的片內(nèi)USB協(xié)議解決方案，無需底層固件的編程；完全兼容USB1.1，USB2.0協(xié)議；)附加的EEPROM接口可定制USB接口設備。
2 USB接口的硬件設計
由USB設計規(guī)范可知，USB設備有總線供電和自供電兩種方式?？紤]到開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)并不屬于移動應用，無需通過總線供電方式來供給芯片工作所需電源，因此采用自供電方式進行設計。采用自供電方式的基于FT245BM的USB接口電路原理如圖2所示。
FT245BM通過8位并行數(shù)據(jù)口D[0..7]和4位讀寫狀態(tài)／控制口 RXF#、TXE#、RD#、WR實現(xiàn)與微控制器交換數(shù)據(jù)，而PC機與FT245BM問通過UISB總線傳輸數(shù)據(jù)?？蛇x的外部EEPROM用于存儲USB設備的特定信息，呵以通過EECS、EESK、EEDATA來完成數(shù)據(jù)寫入和讀出。由于設計采用自供電的方式，為防止USB主機或USB HUB(集線器)控制器在斷電情況下USB接口設備將電流灌入USB總線(USB主機或USB HUB控制器將突然上電而可能導致?lián)p壞)，在USBDP的上拉電路中加入檢測USB總線電流的NPN型晶體管2N3904。當總線有電時，2N3904飽和導通，USBDP通過1.5 kΩ電阻上拉至RSTOUT#3.3 V，USB數(shù)據(jù)通信正常進行；當USB總線失電時，2N3904因基極無電流而截止，阻止電流由RSTOUT#進入USB總線，可有效防止USB主機的突然上電。
3 USB接口的軟件設計
USB接口軟件是配合接口硬件實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的高效快速傳輸，包括微控制器端和PC端兩部分。
3.1 微控制器端軟件的設計
微控制器通過FT245BM提供的數(shù)據(jù)和控制接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。
讀操作時序見圖3。當RxF#為低，表示當前FIFO接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行讀操作讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。在RD#電平由高變低，F(xiàn)IFO控制器將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)輸出到8位數(shù)據(jù)端口上，微控制器此時只需讀取I／O口就可以將數(shù)據(jù)取到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上來，再將RD#信號拉高完成1個字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取。當將FIFO接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部取出后，RXF#被拉高表示數(shù)據(jù)為空。在RXF#為高時，禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。
寫操作時序見圖4。當TXE#為低，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空，可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫人數(shù)據(jù)。在WR為高電平時，微控制器將8位數(shù)據(jù)D[0..7]送到并行I／O口上，在WR信號電平由高變低時數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送緩沖區(qū)中。當TXE#為高時，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫入上一個字節(jié)，此時禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入任何數(shù)據(jù)。微控制器向FT245BM寫人數(shù)據(jù)時應確保TXE#為低。
3.2 PC機端軟件的設計
USB設備插入PC機時操作系統(tǒng)會請求安裝設備驅(qū)動程序，F(xiàn)TDI公司為基于FT245BM的USB接口設備提供了VCP、D2XX(動態(tài)鏈接庫)兩種驅(qū)動程序。選擇不同的驅(qū)動程序，PC機端軟件設計方法也不同。
3.2.1 基于VCP的PC機端軟件設計
選擇安裝VCP驅(qū)動程序時，操作系統(tǒng)將基于FT245BM的USB接口設備虛擬成為串行通信口，對這一虛擬的串行口的操作就等同于對該USB接口設備的操作，因此在應用程序中可以利用串行通信控件來簡化PC機端軟件的設計。目前比較成熟的串行通信控件有MSCOMM、SPCOMM、PCCOMM等，本文采用Delphi和SPCOMM來完成基于VCP的PC端軟件的設計。利用SPCOMM編寫針對串行口操作的程序比較容易，它有豐富的與串口通信密切相關的屬性及事件，提供了對串口的各種操作。根據(jù)SPCOMM提供的屬性、方法、事件可以完成對虛擬成串行口的FT245BM的讀寫，避開了對USB接口本身的操作。
基于VCP的軟件設計介紹如下。首先設置好需要打開的VCP的各個屬性，調(diào)用StartComm方法打開VCP，然后通過WriteCommData將數(shù)據(jù)寫人到發(fā)送緩沖區(qū)，由計算機硬件實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)到達PC機將會觸發(fā)控件的OnReceiveData事件，在該事件下接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)存以供后續(xù)的處理。接收數(shù)據(jù)出錯時將觸發(fā)OnReceiveError事件，在該事件中可進行出錯處理。數(shù)據(jù)傳輸完畢后調(diào)用StopComm關閉VCP，結束一次通信過程。
3.2.2 基于D2XX的PC機端軟件設計
選擇D2XX作為USB接口的設備驅(qū)動程序，應用程序通過FTD2XX.DLL、FTD2XX.SYS、Windows USBDriver Stack來實現(xiàn)對FT245BM。的讀寫。因此，在程序編寫時只需調(diào)用FTD2XX.DLL中的函數(shù)，便可完成對USB接口設備的讀寫操作。
FTD2XX.DLL提供了豐富的接口函數(shù)來訪問FT245BM，主要函數(shù)簡介如下：
FT_ListDevice：獲取當前PC機上連接的所有的FTDI USB接口設備的信息；
FT_Open，F(xiàn)T_OpenEx：打開FTDI USB接口；
FT_Read：從FTDI USB接口讀取數(shù)據(jù)；
FT_Write：向FTDI USB接口寫入數(shù)據(jù)；
FT_Close：關閉FTDI USB接口。
使用DLL(動態(tài)鏈接庫)函數(shù)首先要在接口單元處重新聲明程序中需要使用到的函數(shù)。FTD2XX中DLL函數(shù)聲明示例如下：
采用Delphi 7編寫的數(shù)據(jù)發(fā)送示例程序PcData_To_UsbDevice如下：
4 結束語
通過上述的軟硬件設計，可以快速實現(xiàn)USB接口的設計，滿足數(shù)控系統(tǒng)所要求的高速數(shù)據(jù)傳輸任務。采用這種USB設計方案在實際應用中表現(xiàn)良好，達到了預期目的，為數(shù)控系統(tǒng)如期交貨創(chuàng)造了條件。
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