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，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,，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?？梢钥闯鯱SB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的控制功能程序,。
3．5 系統(tǒng)設計中關鍵問題
(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。