陳喜春

(石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院軍事模擬訓(xùn)練中心，河北石家莊050083)

USB接口具有傳輸速率高，體積小，可向外供電等特點(diǎn)，因此使得計(jì)算機(jī)與外部硬件設(shè)備之間的連接和使用都十分方便。目前，計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備中，例如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)都開(kāi)始采用USB接口實(shí)現(xiàn)。本文中，將介紹Cypress公司的USB接口芯片——CY7C68013A，并介紹基于 CY7C68013A實(shí)現(xiàn)的USB鍵盤(pán)。

1 CY7C68013A芯片簡(jiǎn)介

一個(gè)典型的USB應(yīng)用系統(tǒng)由USB設(shè)備、USB主機(jī)和USB電纜組成，USB主機(jī)一般指具有USB接口的計(jì)算機(jī)，連接到主機(jī)USB端口的外部設(shè)備一般稱(chēng)為USB設(shè)備。

Cypress的EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，EZ-USB FX2LP系列是其低功耗版本，使用比較多的是CY7C68013A。

FX2LP芯片的內(nèi)部主要包括高性能微處理器內(nèi)核、USB2.0收發(fā)器、智能引擎(SIE)、增強(qiáng) 8051內(nèi)核、16K的RAM，4K的FIFO、IO接口、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和通用可編程接口等。EZ-USB FX2LP的CPU采用的是增強(qiáng)型8051內(nèi)核，指令集和標(biāo)準(zhǔn)的8051完全兼容，因此非常便于熟悉51單片機(jī)的用戶(hù)使用。

根據(jù)內(nèi)部資源和引腳數(shù)量的不同，CY7C68013A芯片一共提供了三種不同的封裝。本文以CY7C68013A-56pin為例進(jìn)行說(shuō)明，該封裝提供了PA、PB、PD共3個(gè)8位并行I/O端口。

2 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

USB接口設(shè)備的開(kāi)發(fā)比較復(fù)雜，需要涉及USB固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序、上位機(jī)程序開(kāi)發(fā)和電路板設(shè)計(jì)等諸多方面。

2.1 固件開(kāi)發(fā)環(huán)境

USB功能設(shè)備的硬件功能主要由硬件上的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，微處理器是由芯片上的固件程序控制的。由于FX2LP的CPU采取了8051內(nèi)核，因此，固件開(kāi)發(fā)環(huán)境仍然可以使用51系列單片機(jī)的常用開(kāi)發(fā)軟件——Keil μVision。

2.2 Cypress開(kāi)發(fā)包

Cypress公司為EZ-USB芯片提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)包，CY3684 EZ-USB FX2LP Development Kit，里面包含了典型的固件代碼，用戶(hù)可以參考使用。另外，該開(kāi)發(fā)包還提供了通用USB驅(qū)動(dòng)程序、典型的硬件電路、上位機(jī)操作函數(shù)說(shuō)明等。

2.3 上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境

USB功能設(shè)備需要連接到計(jì)算機(jī)上使用，因此需要上位機(jī)的程序開(kāi)發(fā)，一般可以使用微軟的Visual Studio來(lái)實(shí)現(xiàn)。USB設(shè)備開(kāi)發(fā)的上位機(jī)程序通過(guò)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)和USB設(shè)備進(jìn)行通信。

驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)可以使用微軟的DDK開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，也可以使用Driver Studio軟件。針對(duì)Cypress公司的EZ-USB系列芯片，也可以直接使用Cypress的通用驅(qū)動(dòng)程序，這是一種更加簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式。

3 USB鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

圖1是CY7C68013A-56pin的典型連接。電壓調(diào)整芯片將USB接口的5 V電壓轉(zhuǎn)換為芯片的工作電壓3.3 V;類(lèi)似51系列單片機(jī)，時(shí)鐘振蕩電路接入晶振和兩個(gè)瓷片電容;SCL與SDL引腳接上拉電阻。

圖1 CY7C68013A端口的連接關(guān)系

鍵盤(pán)設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，CY7C68013A-56pin有 PA、PB、PD三組24個(gè)IO端口，利用這些IO端口，就可設(shè)計(jì)常用的矩陣鍵盤(pán)，如圖2所示，鍵的數(shù)目可達(dá)12*12個(gè)。和51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的鍵盤(pán)一樣，固件程序需要對(duì)行和列進(jìn)行掃描，采用輪詢(xún)或中斷的方式，對(duì)按下的鍵值進(jìn)行判斷。

另外，在制作電路板的時(shí)候，注意D+和D－的走線(xiàn)盡量的短而且相等，晶振盡量靠近芯片。

圖2 鍵盤(pán)與CY7C68013A的連接

3.2 USB芯片的固件程序設(shè)計(jì)

EZ-USB FX2LP芯片采用的是一種軟配置模式。也就是USB設(shè)備的各種驅(qū)動(dòng)程序都保存在上位機(jī)，上電后，USB主機(jī)首先將程序下載到RAM中，然后從RAM開(kāi)始執(zhí)行。在這個(gè)過(guò)程中，有兩次“枚舉”:剛加電時(shí)，USB內(nèi)核中沒(méi)有固件，將被枚舉為一個(gè)默認(rèn)的USB設(shè)備;主機(jī)下載固件程序之后，在內(nèi)核中執(zhí)行固件程序，就會(huì)重新識(shí)別并枚舉這個(gè)USB設(shè)備，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“重枚舉”。在第一次枚舉時(shí)，根據(jù)芯片有沒(méi)有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個(gè)字節(jié)的值，有不同的處理方式。當(dāng)沒(méi)有外接E2PROM時(shí)，將根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序中提供的VID，PID和DID，把主機(jī)上對(duì)應(yīng)的固件程序下載到片內(nèi)的RAM中，并執(zhí)行固件代碼。

USB固件程序是USB設(shè)備功能的核心，通過(guò)兩次枚舉，固件程序被下載到CY7C68013A的芯片里(程序也可以放在外接的EEPROM芯片里)，用于配置芯片工作在需要的狀態(tài)下。

固件程序使用Keil μVision來(lái)編寫(xiě)。可以參考Cypress的例程。大體步驟是:

(1)初始化休眠模式、遠(yuǎn)程喚醒等。

(2)初始化用戶(hù)設(shè)備，主要是TD_Init()子程序。負(fù)責(zé)整個(gè)USB設(shè)備的初始化過(guò)程。

(3)定向描述符。

(4)把所用中斷打開(kāi)，并開(kāi)啟8051全局中斷EA=1。由于EZ-USB設(shè)備啟動(dòng)需要重列舉，因而需要通過(guò)設(shè)置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來(lái)模擬設(shè)備物理上的斷開(kāi)和連接過(guò)程。

(5)用戶(hù)外圍設(shè)備控制功能的實(shí)現(xiàn)放在TD_Poll()子程序中，同時(shí)主循環(huán)中的SetupCommand()子程序用于接收、分析上位機(jī)的控制信號(hào)，響應(yīng)上位機(jī)請(qǐng)求(標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和用戶(hù)自定義請(qǐng)求)。

3.3 USB通用驅(qū)動(dòng)程序的使用

USB設(shè)備的使用需要驅(qū)動(dòng)程序的支持，Cypress提供了通用的USB驅(qū)動(dòng)程序。

該驅(qū)動(dòng)包括兩部分:CyLoad.sys和CyUsb.sys，前者用于固件程序的下載，后者用于主機(jī)和固件程序的通信。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序提供的引導(dǎo)文件分別是CyLoad.inf和CyUSB.inf，用戶(hù)可以直接使用，也可以根據(jù)需要進(jìn)行改動(dòng)。

為了在CyLoad.sys的幫助下實(shí)現(xiàn)固件的自動(dòng)下載，固件程序CyLoad.HEX必須轉(zhuǎn)換為適合自動(dòng)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(shè)置的PID，VID必須和描述符中的一致，使得能夠自動(dòng)加載對(duì)應(yīng)固件。

USB設(shè)備使用時(shí)，必須首先安裝驅(qū)動(dòng)程序，注意分別安裝上面提到的下載驅(qū)動(dòng)CyLoad.sys和通信驅(qū)動(dòng)CyUsb.sys。安裝驅(qū)動(dòng)之后，可以使用Cypress提供的主機(jī)控制函數(shù)庫(kù)CyAPI.lib開(kāi)發(fā)主機(jī)程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和USB設(shè)備進(jìn)行通信。

3.4 USB主機(jī)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

USB主機(jī)程序可以使用Cypress提供的CyAPI.lib庫(kù)來(lái)進(jìn)行編程。CyAPI.lib對(duì)應(yīng)Cypress提供的驅(qū)動(dòng)程序CyUsb.sys，為其提供了簡(jiǎn)單而且功能強(qiáng)大的C++編程接口，通過(guò)CyAPI.lib庫(kù)提供的函數(shù)，可以對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作，這些函數(shù)主要是Open，Close和XferData。

本文以VC++6.0為例，描述創(chuàng)建USB設(shè)備應(yīng)用程序的步驟。

(1) 新建工程，并將 CyAPI.h，CyAPI.lib，cyioctl.h 三個(gè)文件加載到項(xiàng)目中。

CyAPI.h 中定義了 CCyUSBDevice、CCyControlEndPoint等幾個(gè)重要的類(lèi);而cyioctl.h中則定義了讀取USB設(shè)備的幾個(gè)重要的結(jié)構(gòu)和宏。

(2)在相應(yīng)的文件中(視、框架或者對(duì)話(huà)框，依具體情況)，包含頭文件 CyAPI.h 和 cyioctl.h。

然后定義USB設(shè)備全局變量和控制端點(diǎn)全局變量，并進(jìn)行初始化:

三是創(chuàng)新技術(shù)。著力研發(fā)有益膳食平衡、降低營(yíng)養(yǎng)損失、消除有毒殘留的飲料加工新技術(shù)；著力研發(fā)自動(dòng)化、智能化、信息化的飲料新裝備、新檢測(cè)技術(shù)、新零售模式；著力研發(fā)生態(tài)環(huán)保、清潔衛(wèi)生、安全可靠、質(zhì)量保障的飲料生產(chǎn)新工藝。以創(chuàng)新創(chuàng)造，大力提升中國(guó)飲料工業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

CCyUSBDevice*USBDevice=new CCyUSBDevice();

CCyControlEndPoint* ept= USBDevice－ ＞Control EndPt;

(3)在程序執(zhí)行時(shí)，采用中斷方式，或者輪詢(xún)方式交換數(shù)據(jù)。以輪詢(xún)方式為例，則在幀循環(huán)中加入如下代碼:

if(USBDevice－ ＞IsOpen())

{

ept－ ＞Target=TGT_DEVICE;

ept－ ＞ReqType=REQ_VENDOR;

ept－ ＞ReqCode=0xA2;

ept－ ＞Value=0;

ept－ ＞Index=0;

PUCHAR buf=new UCHAR［6］;

ZeroMemory(buf，6);

LONG buflen=6;

ept－ ＞ XferData(buf，buflen);

}

首先判斷設(shè)備是否打開(kāi)，然后指定操作碼，ept－＞Xfer-Data()完成傳輸，實(shí)現(xiàn)從端口讀數(shù)據(jù)，或者向端口寫(xiě)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛴蒭pt－＞Direction來(lái)設(shè)置。

(4)結(jié)束程序時(shí)，關(guān)閉USBDevice。

USBDevice－ ＞Close;

4 結(jié)論

EZ-USB FX2芯片實(shí)現(xiàn)USB系統(tǒng)，軟硬件程序設(shè)計(jì)，相比較而言，簡(jiǎn)單、方便。本文介紹了設(shè)計(jì)USB系統(tǒng)的大體步驟，給出了USB鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的實(shí)例。

上述系統(tǒng)和程序經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定、可靠。

［1］薛園園，趙建領(lǐng).USB應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［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，2006.

［3］Cypress Semiconductor.EZ-USB Technical Reference Manual［CP/DK］.2006.3.