基于CY7C68013A的USB控制系統(tǒng)設計研究

引言
    通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)作為計算機上的新型接口技術(shù)，越來越受到人們的青睞。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，具有使計算機與外部設備連接十分方便的優(yōu)點。目前，很多設備都開始使用USB接口來實現(xiàn)，如鼠標、鍵盤、打印機等。在實際設計工作當中，也越來越多地采用了USB技術(shù)，如數(shù)據(jù)采集等。USB的設計和應用已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設計中一個非常重要的部分。

1 USB 2．0特點
    USB是一種高效、快速、價格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點是支持熱插拔，可以在不重新啟動計算機的情況下直接將USB外部設備連接到計算機并開始通信。
    USB具有以下主要特點：
    (1)節(jié)省系統(tǒng)資源。在計算機中，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(guī)范已經(jīng)有USB 1．O，USB 1．1，USB 2．O，無線USB等多個版本的協(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，同時支持多個設備的連接，一個USB主控制器最多可以連接126個外部設備。

2 CY7C68013A的主要特點
    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(tǒng)，同時包括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發(fā)包。該單片機的CPU采用的是增強型805l內(nèi)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：
    (1)具有第二個數(shù)據(jù)指針；
    (2)具有第二個USATRT；
    (3)I2C總線接口；
    (4)8個額外的中斷(INT2～INT6，WAKEUP，T2，USARTl)；
    (5)CPU時鐘可以運行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。

3 控制系統(tǒng)設計
    基于USB的控制系統(tǒng)設計主要包含兩個方面的內(nèi)容，分別為固件程序的開發(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(shù)據(jù)都存放在內(nèi)部RAM中，并從RAM中開始執(zhí)行。
3．1 啟動模式的選擇
    EZ-USB在沒有固件的情況下列舉為一個缺省的USB設備，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開始執(zhí)行固件程序，此時模擬一個物理上的斷開重新連接過程。在列舉為一個USB設備時，根據(jù)芯片有沒有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個字節(jié)值的不同，其處理方式有很多。主要有：不連接E2PROM的缺省設備列舉、CO加載、C2加載等啟動方式。在此系統(tǒng)的設計過程中，采用第一種方式，即芯片沒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(nèi)置的邏輯提供，然后根據(jù)驅(qū)動程序中提供的VID，PID和DID把主機上對應的固件程序下載到片內(nèi)的RAM中，并執(zhí)行固件代碼。該方式具有硬件連接簡單，節(jié)省器件等特點。
3．2 硬件系統(tǒng)框圖
    整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。可以看出USB控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)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)，解碼后用來控制外圍設備執(zhí)行相應功能。上位機需要從外設獲得信息(如數(shù)據(jù)采集)，信息處于上行狀態(tài)，由USB設備負責控制外設并將數(shù)據(jù)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，主要實現(xiàn)芯片外圍設備的控制，以及對USB設備的功能描述等任務，同時負責與上位機通信，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、接口等。在此主要使用標準描述符來說明USB設備，如設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、設備限定描述符等。在該設備中，這些描述符的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    系統(tǒng)中使用了2個配置描述符，分別為高速配置和全速配置，每個配置使用1個接口，并對應1個接口描述符，每個接口應用了4個端點，對應4個端點描述符。同時端點配置為塊傳輸模式，2、4端點為OUT，6、8端點為IN，最大數(shù)據(jù)包長度為512 B，上位機通過O端點來操作、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，并用于上電時幫助主機加載合適的驅(qū)動程序，進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?qū)γ枋龇M行讀取和寫操作。自定義請求響應主要實現(xiàn)上位機發(fā)送控制命令，來使能USB功能設備、以及執(zhí)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。

    用戶初始化設備部分放在TD_Init()子程序中，負責整個USB設備的初始化過程。在定向描述符之后，需要把所用中斷打開，并開啟8051全局中斷EA=1。由于EZ-USB設備啟動需要重列舉，因而需要通過設置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來模擬設備物理上的斷開和連接過程。用戶外圍設備控制功能的實現(xiàn)放在TD_Poll()子程序中，同時主循環(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，需要編寫上位機控制界面。界面程序在VC++6．O環(huán)境下開發(fā)，該環(huán)境具有編程簡單、快捷等的特點，便于開發(fā)可視化程序。Cypress公司為EZ_USB系列芯片提供了開發(fā)庫CyAPI．lib，使用其中的控制函數(shù)類，可以在VC++6．0環(huán)境下開發(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(shù)，如VendorID，ProductID等，可以獲取USB設備的描述信息，同時也可以編寫相關(guān)的控制功能程序。
3．5 系統(tǒng)設計中關(guān)鍵問題
    (1)一個設備只能有一個設備描述符，可以有多個配置描述符，多個接口描述符，以及多個端點描述符。
    (2)設備描述符中VID，PID要與驅(qū)動中的相一致，否則不能自動加載相應的固件程序。
    (3)固件程序必須轉(zhuǎn)換為．spt格式，用于固件加載的驅(qū)動程序和固件程序應放在一個文件夾。
    (4)端點0為缺省控制端點，其可設置最大數(shù)據(jù)包長度為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，需根據(jù)自己設計需求選擇，同時注意最大數(shù)據(jù)包長度的設置。

4 驅(qū)動程序
    對于USB設備，Windows操作系統(tǒng)要想對其實現(xiàn)操作，必須借助于驅(qū)動程序來實現(xiàn)。主機和驅(qū)動程序直接通信，交換數(shù)據(jù)，而驅(qū)動程序則和硬件資源進行通信，從而很好地控制USB設備。Cypress提供的開發(fā)環(huán)境中自帶了相關(guān)的驅(qū)動程序CyLoad．sys和CyUSB．sys，可以直接使用，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。其中CyLoad．sys用于主機向USB設備下載固件程序，CyUSB．sys實現(xiàn)主機和固件程序通信。為了在CyLoad．sys的幫助下實現(xiàn)固件的自動下載，固件程序CyLoad．HEX必須轉(zhuǎn)換為適合自動下載的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中設置的PID，VID必須和描述符中的一致，使得能夠自動加載對應固件。

5 實驗
    實驗系統(tǒng)，采用CY7C68013A-56pin作為USB設備芯片，實現(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)實現(xiàn)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(shù)據(jù)。PB口接高／低電平，用于主機讀取該口數(shù)據(jù)，可以驗證主機接收數(shù)據(jù)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分類框中為USB描述相關(guān)信息，由主機通過標準請求獲得。Operation分類框中為主機向USB設備PA口發(fā)送數(shù)據(jù)，以及從USB設備的PB讀取數(shù)據(jù)的情況。

6 結(jié)語
    采用CY7C68013A實現(xiàn)USB控制系統(tǒng)，無論在固件程序編寫、主機控制界面開發(fā)，以及設備驅(qū)動程序的使用等方面，都具有簡單、方便的優(yōu)點。系統(tǒng)采用設備固件存放在主機上的方法，不但簡化了硬件設計，節(jié)約元器件成本，而且也提高了設備的可靠性。同時，此法對以后固件升級或更改設備功能，也十分簡便，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，就可以實現(xiàn)固件自動更新。文中給出一些設計過程中需要注意的關(guān)鍵問題，對于USB控制設備的設計具有一定的指導作用。上述系統(tǒng)和程序經(jīng)過實際運行，工作穩(wěn)定、可靠。