代月松，董力科，孫正席，陳昌鑫

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線(xiàn)”。它是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB以其可以熱插拔和即插即用的特性，獲得廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可。USB1.0標(biāo)準(zhǔn)于1996年1月提出，傳輸速度為1.5 Mb/s的低速模式；1998年9月提出的USB1.1標(biāo)準(zhǔn)則將速度提高到12 Mb/s的全速模式，并且增加了中斷傳輸?shù)膫鬏敺绞健SB2.0標(biāo)準(zhǔn)于2000年4月提出，將傳輸速度提高了40倍，達(dá)到了480 Mb/s的高速模式，足以滿(mǎn)足大多數(shù)外設(shè)的速率要求[1]。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，硬件電路部分主要包含電源轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸接口電路、并轉(zhuǎn)串電路、程序存儲(chǔ)部分等4個(gè)部分。

本系統(tǒng)采用具有微處理器的USB接口CY7C68013A，工作過(guò)程：系統(tǒng)接入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)上電，單片機(jī)從外接EEPROM中下載程序，初始化自身的寄存器，并且設(shè)置外圍電路狀態(tài)，計(jì)算機(jī)識(shí)別USB設(shè)備后，客戶(hù)軟件將要確認(rèn)打開(kāi)USB設(shè)備以及工作狀態(tài)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出讀數(shù)請(qǐng)求和參數(shù)設(shè)置請(qǐng)求，二者是相互獨(dú)立進(jìn)行的，就可以完成PC機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換工作，這些都需要單片機(jī)固件和硬件電路的配合。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Whole system design diagram

1.2 USB主控制器介紹

Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB FX2 CY7C68013A集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器可編程的外圍接口。CY7C68013A可提供480 Mb/s的傳輸率。CY7C68013A的內(nèi)部FIFO緩沖區(qū)中有4個(gè)端點(diǎn)，可以通過(guò)配置相應(yīng)的EPxFIFOCFG寄存器配置為2倍、3倍、4倍緩沖區(qū)，這種設(shè)計(jì)可以把數(shù)據(jù)包可用的時(shí)間延時(shí)減至最小，從而增加帶寬的吞吐量。該芯片有3種工作模式，分別為普通端口模式、GPIF主控模式、和從屬FIFO模式[2]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 GPIF接口模式

本設(shè)計(jì)采用GPIF主控模式，GPIF作為CY7C68013A端點(diǎn)FIFO的主控制器。在普通端口模式下，所有I/O引腳都可作為8051的通用I/O口。在“從FIFO”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與FX2端點(diǎn)FIFO相連。在這種模式下，GPIF不被激活，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為FX2接口提供自己的獨(dú)立時(shí)鐘。GPIF主控模式是在高速傳輸?shù)倪^(guò)程中，8051內(nèi)核不介入傳輸通道，并行數(shù)據(jù)的讀入和打包全部由硬件完成。在GPIF配置這些硬件時(shí)，Cypress公司有個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)構(gòu)想，8051僅用來(lái)配置波形描述符，配置完成后，8051退出數(shù)據(jù)傳輸通路，GPIF通過(guò)讀入的波形描述符，在相應(yīng)引腳上產(chǎn)生一系列信號(hào)，包括控制信號(hào)和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的信號(hào)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，讀取數(shù)據(jù)時(shí)的傳輸類(lèi)型使用批量傳輸方式。USB規(guī)范限定了批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長(zhǎng)度：對(duì)于USB1.1規(guī)范，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為最大64字節(jié)，而USB2.0規(guī)范，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度只能為512字節(jié)。就是說(shuō)在USB1.1主機(jī)控制下，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)一次最大能讀取64字節(jié)數(shù)據(jù)，在USB2.0主機(jī)控制下，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)一次只能讀取512字節(jié)數(shù)據(jù)。具體讀取數(shù)據(jù)時(shí)GPIF方式的啟動(dòng)次數(shù)將與數(shù)據(jù)讀寫(xiě)量結(jié)合計(jì)算得到，并且由上位機(jī)程序和單片機(jī)固件配合使用[3]。

2.2 固件程序設(shè)計(jì)

固件是指存儲(chǔ)在USB接口芯片或微控器中的代碼，于控制硬件系統(tǒng)運(yùn)行，各種USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的處理，以及USB閑置模式的電源管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。固件程序采用C51語(yǔ)言來(lái)編程，使用Keil軟件作為編程工具[4]。Cypress公司為FX2固件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)固件庫(kù)和固件框架，固件庫(kù)提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)來(lái)方便用戶(hù)對(duì)芯片的使用。C語(yǔ)言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)，代碼在Keil軟件中編譯通過(guò)后，將固件代碼下載到FX2中，就可以實(shí)現(xiàn)GPIF多字節(jié)讀等操作。

固件程序框架流程圖如圖2所示。

復(fù)位上電時(shí)，固件先初始化一些全局變量，接著調(diào)用初始化任務(wù)調(diào)度函數(shù)TD_INIT（），開(kāi)中斷，等待設(shè)備重枚舉完成（端點(diǎn)0接收到SETUP包），最后進(jìn)入循環(huán)語(yǔ)句，執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，函數(shù)包括：

1）TD_Poll（ ）任務(wù)調(diào)度函數(shù)。

2）如果發(fā)現(xiàn)USB控制請(qǐng)求則執(zhí)行。

3）如果發(fā)現(xiàn)USB空閑置位，則調(diào)用TD_Suspend（），函數(shù)執(zhí)行成功則將內(nèi)核掛起，直到出現(xiàn)USB遠(yuǎn)程喚醒信號(hào)，調(diào)用TD_Resume（ ），喚醒內(nèi)核。

2.3 GPIF波形圖

GPIF波形設(shè)計(jì)是CY7C68013A的最核心特點(diǎn)之一。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的讀數(shù)時(shí)序要求，采用GPIF Designer工具設(shè)計(jì)時(shí)序波形，其時(shí)序信號(hào)具有很好的編程分辨率，并且導(dǎo)出生成 .c文件加載到單片機(jī)固件中。

圖2 固件程序框架流程圖Fig.2 Flow chart of firmware framework

下面根據(jù)并口擦除時(shí)序?yàn)槔肎PIF Designer畫(huà)出相應(yīng)的波形圖。如圖3所示。

圖3 并口擦除過(guò)程時(shí)序波形設(shè)計(jì)圖Fig.3 Waveform design of parallel erase process timing

S0～S3狀態(tài)ERE始終為高，ERET始終為低，外圍測(cè)試系統(tǒng)單片機(jī)接收到這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)滿(mǎn)足的話(huà)則擦除開(kāi)始，擦除過(guò)程中READY信號(hào)一直為低，擦除完畢后變高。這里S4也設(shè)置了判斷點(diǎn)檢測(cè)READY信號(hào)，如果為高就到IDLE狀態(tài)結(jié)束擦除，否則回到S3繼續(xù)執(zhí)行前面的工作。

2.4 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序由3部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。其中，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序；而USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)，通過(guò)向USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB（USB Request Block）的 IRP（I/O RequestPacket），以實(shí)現(xiàn) USB 外設(shè)之間的信息交換。本系統(tǒng)的USB通用驅(qū)動(dòng)程序采用Cypress公司提供的通用驅(qū)動(dòng)ezusb.sys，固件下載驅(qū)動(dòng)程序可以根據(jù)編譯好的固件在DDK的環(huán)境下編譯生成[5]。

主機(jī)加載USB驅(qū)動(dòng)程序是要先通過(guò)讀取USB設(shè)備的VID和PID，然后才能正確識(shí)別并加載的。為了使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠正確加載運(yùn)行，還必須為它配備一個(gè)安裝信息文件即.inf文件。Windows系統(tǒng)使用該.inf文件將USB外設(shè)的VID&PID（固件下載時(shí)由EEPROM或EZ-USB內(nèi)核提供，重枚舉后由固件程序描述符表提供）與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序綁定到一起。這樣，系統(tǒng)在知道了USB外設(shè)的VID&PID后就可以通過(guò)存儲(chǔ)在.inf文件中的信息查找到正確的驅(qū)動(dòng)程序并加載。

用戶(hù)應(yīng)用程序通過(guò)I/O控制調(diào)用訪問(wèn)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序達(dá)到控制USB設(shè)備的目的，應(yīng)用程序首先通過(guò)調(diào)用Win32函數(shù)CreateFile（）來(lái)取得訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄，再利用Win32函數(shù)DeviceIoControl（）對(duì)設(shè)備進(jìn)行I/O控制[6]。

2.5 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用程序界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用程序界面Fig.4 Interface of system application programming

客戶(hù)應(yīng)用程是測(cè)試系統(tǒng)軟件的核心，由Visual Basic來(lái)編寫(xiě)完成，其對(duì)USB設(shè)備的操作功能為：開(kāi)啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測(cè)USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置數(shù)據(jù)端口的初始狀態(tài)、通過(guò)USB接口回傳數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、顯示并分析數(shù)據(jù)。因此，應(yīng)用程序要調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL68013.d11中封裝的 API函數(shù)。首先要將 DLL68013.dll拷貝到系統(tǒng)盤(pán)的“C：Windows＼System”下面，然后在 Visual Basic的集成編程環(huán)境下的模塊Module1中聲明引用動(dòng)態(tài)連接庫(kù) DLL68013.dll中的API函數(shù)。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件的使用，需要在應(yīng)用程序的全局變量定義模塊中顯式調(diào)用.dll文件應(yīng)用程序會(huì)在其所在目錄和系統(tǒng)目錄下查找.dll文件。在聲明過(guò)程中需要注意數(shù)據(jù)類(lèi)型的匹配問(wèn)題。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)連接外設(shè)進(jìn)行測(cè)試記錄各階段波形，采用Bus Hound實(shí)時(shí)記錄總線(xiàn)狀態(tài)變化，查看VB讀數(shù)軟件中的數(shù)據(jù)文件，得到的數(shù)據(jù)正確。并用原并口進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試記錄各階段波形，對(duì)比兩次波形發(fā)現(xiàn)基本吻合，從而驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4 結(jié) 論

利用CY7C68013A完成了采用GPIF模式的并口轉(zhuǎn)USB的數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)。多次實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足目前舊測(cè)試系統(tǒng)并口轉(zhuǎn)USB口的需求。另外，試驗(yàn)中實(shí)際的傳輸速率120 Mb/s，大大提高了原測(cè)試系統(tǒng)的傳輸速率。

[1]周立功.USB2.0與OTG規(guī)范及開(kāi)發(fā)指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]錢(qián)峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3]張念淮，江浩.USB總線(xiàn)接口開(kāi)發(fā)指南[z].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

[4]李英偉，王成儒，練秋生，等.USB2.0原理與工程開(kāi)發(fā)[M].第2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[5]EZ-USB Fx2 technical reference manual version2.0[S].Cypress Semionductor Corp data book，2001.

[6]張弘.USB接口設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.