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(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

0 引言

基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)因其連接方便、配置靈活、即插即用和支持熱插拔等優(yōu)點，在數(shù)據(jù)采集、自動控制和電子測量等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1]。Cypress公司的CY7C68013A是一款高速的USB2.0接口控制芯片[2]，因其高度的集成性，而得到了廣泛的應(yīng)用。

CY7C68013A支持3種接口連接模式：端口模式、通用可編程接口GPIF主控模式和從器件FIFO模式。在端口模式中，所有的IO引腳均為通用的IO口，固件程序簡單，數(shù)據(jù)傳輸需要CPU參與，傳輸速率較低。后兩種模式，外設(shè)直接連接內(nèi)部端點緩沖FIFO，不需要CPU參與，具有很高的傳輸速率。GPIF主控模式，CY7C68013A作為主控制器，固件程序復(fù)雜。從屬FIFO模式，CY7C68013A作為從器件被外部控制器訪問，固件程序簡單，但需要外部控制器的時序控制，增加了硬件電路的復(fù)雜性。綜合以上3種模式的優(yōu)缺點，在傳輸速率要求不高的場合，端口模式可作為一種有效的傳輸方式[3]。但對于端口模式，文獻中介紹較少[3-4]。針對這種情況，本文將介紹CY7C68013A端口模式下數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計，并重點介紹其通信協(xié)議設(shè)計和軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的任務(wù)是設(shè)計一個通用的數(shù)據(jù)傳輸模塊，來實現(xiàn)計算機與低速實時傳輸和高速非實時傳輸外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交互。對應(yīng)的系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。上位機通過USB控制器接收外設(shè)接口電路發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行顯示和保存，實現(xiàn)對外設(shè)的實時監(jiān)測；同時向外設(shè)發(fā)送命令數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對外設(shè)的功能控制。對應(yīng)各部分的具體功能描述如下：

上位機界面程序：控制系統(tǒng)的工作過程，顯示、保存接收的外設(shè)數(shù)據(jù)，并向外設(shè)發(fā)送命令數(shù)據(jù)。

USB接口電路：實現(xiàn)PC機與USB接口控制芯片的物理連接。

USB接口控制芯片：采用CY7C68013A的端口模式實現(xiàn)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)雙向傳輸。

串行EEPROM：采用24LC00提供設(shè)備的VID/PID，用于設(shè)備的枚舉和重枚舉。

外設(shè)接口電路：實現(xiàn)模塊與外設(shè)電路的連接，主要包含端口模式下與外設(shè)之間的通信協(xié)議信號。

其中，外設(shè)接口電路直接決定此數(shù)據(jù)傳輸模塊的可靠性，是設(shè)計的重點，后面會給出詳細的設(shè)計介紹。

2 硬件設(shè)計

2.1 CY7C68013A芯片

CY7C68013A在單芯片上集成了USB2.0收發(fā)器、智能串行接口引擎、增強型8051微處理器、16 KB軟配置RAM、4 KB端點緩沖區(qū)FIFO和可編程外設(shè)接口，主要用于USB主機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中串行接口引擎用于完成大部分USB2.0協(xié)議的處理工作，通過USB收發(fā)器與USB主機進行數(shù)據(jù)交互；可編程外設(shè)接口用于USB設(shè)備與外設(shè)之間的連接；4KBFIFO則作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，傳輸中的數(shù)據(jù)緩存，同時增加了吞吐量。

圖1 系統(tǒng)連接框圖

設(shè)計中，USB和外設(shè)之間通信的控制和狀態(tài)信號由IOA和IOD接口完成，IOB接口則用于通信的數(shù)據(jù)總線。同時，設(shè)置EP2-FIFO為USB發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，EP6-FIFO為接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

2.2 USB數(shù)據(jù)傳輸過程

端口模式下USB數(shù)據(jù)傳輸過程：

USB數(shù)據(jù)發(fā)送時，CPU按照預(yù)定的通信協(xié)議讀取IO端口的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在預(yù)發(fā)送的IN端點緩沖區(qū)，將預(yù)發(fā)送的字節(jié)數(shù)寫入對應(yīng)的端點字節(jié)計數(shù)寄存器中，在接收到主機IN請求后，USB內(nèi)核將IN端點緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，主機將接收到的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，并通過讀取內(nèi)存來保存和顯示接收的數(shù)據(jù)。

USB數(shù)據(jù)接收時，主機將預(yù)發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中，并發(fā)送OUT請求，USB內(nèi)核在有空閑OUT端點緩沖區(qū)時接受OUT請求，并將接收的數(shù)據(jù)寫入預(yù)定義的OUT端點緩沖區(qū)，CPU通過讀取對應(yīng)的端點字節(jié)計數(shù)寄存器來確定接收的字節(jié)數(shù)，隨后按照預(yù)定義的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到IO端口，供外設(shè)讀取。

2.3 通信協(xié)議設(shè)計

端口模式下的數(shù)據(jù)傳輸是通用IO口來實現(xiàn)的，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠通信，必須對這些通用IO口賦予實際的意義，即制定通信協(xié)議。通信協(xié)議如下：

IOB7-IOB0被定義為8位的數(shù)據(jù)信號；WRB(IOD[0])與WRB_ACK(IOA[1])、RDB(IOA[2])與RDB_ACK(IOD[2])被定義為單字節(jié)傳輸?shù)恼埱?響應(yīng)信號；IOA[7:3]與WR_ACK(IOA[0])、IOD[7:3]與RD_ACK(IOD[1])被定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱?響應(yīng)信號。主要的工作過程如下：

單字節(jié)數(shù)據(jù)請求/響應(yīng)式傳輸過程：在USB向外設(shè)發(fā)送單字節(jié)數(shù)據(jù)時，USB首先將RDB信號置1，向外設(shè)發(fā)送寫數(shù)據(jù)請求，在接收到外設(shè)發(fā)送的寫應(yīng)答信號RDB_ACK為1后，將輸出端點緩沖區(qū)EP2FIFO中的單字節(jié)數(shù)據(jù)寫入8位的數(shù)據(jù)端口，并撤銷請求信號RDB為0，通知外設(shè)讀取數(shù)據(jù)，當檢測到RDB_ACK信號為0時，表明外設(shè)成功接收數(shù)據(jù)，開始準備發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。同理，在USB接收外設(shè)發(fā)送的單字節(jié)數(shù)據(jù)時，USB在接收到外設(shè)請求信號WRB為1后，將寫應(yīng)答信號WRB_ACK置1，通知外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)，在檢測到WRB信號為0時，將數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)端點緩沖區(qū)EP6FIFO，完成后將WRB_ACK置0，通知外設(shè)數(shù)據(jù)接收成功，開始準備接收下一字節(jié)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸過程同樣采用上述的請求/響應(yīng)式傳輸方式，采用RD和IOA[7:3]作為USB接收外設(shè)數(shù)據(jù)的控制信號，同理采用IOD[7:3]和WR_ACK作為USB向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)的控制信號。IOA[7:3]和IOD[7:3]在作為數(shù)據(jù)接收應(yīng)答和數(shù)據(jù)發(fā)送請求信號的同時，還可利用其不同邏輯組合來實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的傳輸，最多可支持31種不同數(shù)據(jù)傳輸。

如上所述，采用請求/響應(yīng)式數(shù)據(jù)傳輸方式，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性，不僅適用于低速傳輸外設(shè)，同樣適用于高速非實時傳輸外設(shè)。同時，借助不同的邏輯組合實現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)傳輸，拓展了可適用范圍。

2.4 外設(shè)接口電路設(shè)計

根據(jù)上述USB與外設(shè)之間的通信協(xié)議，對應(yīng)的外設(shè)接口電路設(shè)計圖如圖2所示。采用端點EP2為發(fā)送緩沖，端點EP6為接收緩沖。

圖2 外設(shè)接口電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括固件設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計和上位機界面程序設(shè)計三部分。這三部分之間的關(guān)系如圖3所示，應(yīng)用程序通過CyAPI.lib庫對Win32子系統(tǒng)進行Win32 API調(diào)用，用于訪問設(shè)備驅(qū)動程序，從而與固件程序進行通信。

圖3 系統(tǒng)軟件組成

3.1 固件程序設(shè)計

端口模式下的數(shù)據(jù)傳輸需要固件程序的參與，所以固件程序主要實現(xiàn)兩方面的功能：一方面用于響應(yīng)USB主機請求，另一方面用于實現(xiàn)USB設(shè)備與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。

設(shè)計中的固件程序設(shè)計是借助Cypress公司提供的EZ-USB FX2LP軟件開發(fā)包完成的。開發(fā)包中的固件框架提供了完備的框架函數(shù)和程序代碼，極大地簡化和加速USB外設(shè)的開發(fā)?？蚣芰鞒倘鐖D4所示，主要包括USB設(shè)備初始化、設(shè)備重枚舉、外設(shè)功能函數(shù)、USB主機請求響應(yīng)和電源管理等，對于框架流程在文獻[5]中有詳細描述，這里不再贅述。由于固件框架中已經(jīng)包含了USB主機請求響應(yīng)函數(shù)，故在固件程序設(shè)計中主要完成USB設(shè)備與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信，包括初始化程序設(shè)計和通信程序設(shè)計兩部分。

圖4 固件框架流程圖

3.1.1 主要寄存器及功能描述

端口模式下，與固件程序相關(guān)的寄存器及功能描述如表1所示。CPUCS用于選擇CPU工作時鐘，可選時鐘頻率為12/24/48 MHz，設(shè)計中為提高傳輸速率、增加吞吐量，選擇時鐘頻率為48 MHz。IFCONFIG用于選擇端口模式。EPxCFG用于配置端點方向和對應(yīng)緩沖區(qū)大小，配置端點EP2為OUT，EP6為IN；為增加吞吐量，將端點EP2和EP6均設(shè)為4倍緩沖，同時設(shè)置端點EP4和EP8為無效。AUTOPTRSETUP用于配置自動指針，通過使能自動指針和地址自加，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的快速訪問。關(guān)于其他寄存器的位定義和功能描述可參考文獻[2]。

表1 與固件程序相關(guān)的寄存器及功能描述

3.1.2 初始化程序設(shè)計

初始化程序設(shè)計是指對變量、USB內(nèi)部狀態(tài)和相關(guān)寄存器的初始化，主要包括選擇時鐘頻率、設(shè)置接口模式、端點和端口以及使能自動指針等操作。對應(yīng)軟件程序在框架函數(shù)TD_Init()中完成，其主要代碼如下：

TD_Init(void)

{ ---

CPUCS = 0x12;//設(shè)置CPU頻率為48MHz

SYNCDELAY;

IFCONFIG |= 0x40;//選擇端口模式

SYNCDELAY;

EP2CFG = 0xA0;//配置EP2為4倍的OUT

端點，端點大小為512字節(jié)

SYNCDELAY;

EP6CFG = 0xE0;//配置EP6為4倍的IN端點，端點大小為512字節(jié)

SYNCDELAY;

EP4CFG = 0x02;//配置PE4端點無效

SYNCDELAY;

EP8CFG = 0x02;//配置EP8端點無效

SYNCDELAY;

OEA =0x00;//配置IOA[7:0]為輸出端口

SYNCDELAY;

OED =0x00;//配置IOD[7:0]為輸入端口

SYNCDELAY;

AUTOPTRSETUP |= 0x01;//使能自動指針

}

3.1.3 通信程序設(shè)計

根據(jù)2.3節(jié)描述的通信協(xié)議，對應(yīng)通信程序主要工作流程如圖5所示，對應(yīng)軟件程序在框架函數(shù)TD_Poll()完成。下面給出USB作為接收端，接收外設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提交給上位機的主要程序代碼。而USB作為發(fā)送端與其作為接收端類似，這里不再給出詳細的程序代碼。

圖5 通信程序主要工作流程

void TD_Poll(void){ if(IOD & 0x80)//根據(jù)IOD[7:3]判斷不同的數(shù)據(jù)請求類型

{ if(!(EP2468STAT & bmEP6FULL))//判斷EP6 IN端點緩沖是否已滿，若不滿，則接收數(shù)據(jù)

{ AUTOPTRH1= MSB( &EP6FIFOBUF );//將EP6FIFOBUF地址賦值給自動指針

AUTOPTRL1= LSB( &EP6FIFOBUF );

IOA |= 0x01;//IOA[0]表示W(wǎng)R_ACK，將其置1，同意外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)

for( i = 0x00; i < 512;)//接收字節(jié)數(shù)i初始化

{ while(!(IOD& 0x01));//IOD[0]表示W(wǎng)RB，檢測單字節(jié)發(fā)送請求

IOA |= 0x02;//IOA[1]表示W(wǎng)RB_ACK，將其置1，同意單字節(jié)發(fā)送請求

while(IOD& 0x01);//IOD[0]表示W(wǎng)RB，判斷是否可以讀取數(shù)據(jù)

EXTAUTODAT1 = IOB;//讀取端口數(shù)據(jù)IOB[7:0]

IOA &= 0xFD;//IOA[1]表示W(wǎng)RB_ACK，將其置0，為接收下一字節(jié)做準備

i++;//接收字節(jié)數(shù)加1

if(IOD & 0x80)//根據(jù)IOD[7:3]判斷數(shù)據(jù)發(fā)送請求是否結(jié)束

；//繼續(xù)循環(huán)

else

{ IOA&= 0xFE;//IOA[0]表示W(wǎng)R_ACK，將其置0，為接收下一數(shù)據(jù)做準備

break;//跳出循環(huán)，結(jié)束接收數(shù)據(jù)操作

}

}

EP6BCH = i/256;//向上位機提交IN包

SYNCDELAY;

EP6BCL = i%256;

}

}

}

3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序保證了應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備的正常訪問。Windows的USB驅(qū)動遵循Win32驅(qū)動模式，采用分層驅(qū)動模型，包括設(shè)備驅(qū)動層和總線驅(qū)動層。其中設(shè)備驅(qū)動包含USB通信協(xié)議細節(jié)，用于實現(xiàn)應(yīng)用程序與USB設(shè)備通信；總線驅(qū)動由根集線器驅(qū)動、總線類驅(qū)動和主機控制器驅(qū)動組成，用于傳遞總線通信，并最終實現(xiàn)USB主機與USB設(shè)備連接。圖3表明了對應(yīng)驅(qū)動在USB通信中的連接關(guān)系。其中總線驅(qū)動由操作系統(tǒng)提供，不需要開發(fā)者編寫，故在驅(qū)動程序設(shè)計中只需完成設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計。

Cypress公司提供了通用的USB驅(qū)動程序，包括固件下載驅(qū)動CyLoad.sys和通用驅(qū)動Cyload.sys兩部分。其中固件下載驅(qū)動用于固件程序下載，通用驅(qū)動則用于主機與固件之間的通信。固件下載驅(qū)動在USB設(shè)備自枚舉之后進行固件下載，然后按照固件程序進行設(shè)備重枚舉，重枚舉之后在通用驅(qū)動下完成USB設(shè)備通信。設(shè)計中，為確保USB設(shè)備具有唯一的設(shè)備VID和PID，將對應(yīng)設(shè)備信息文件CyLoad.inf和CyLoad.inf文件中的VID/PID均設(shè)置為0x04B4/0x00F0。

3.3 上位機界面程序設(shè)計

上位機界面程序一方面向外設(shè)發(fā)送命令數(shù)據(jù)；另一方面接收外設(shè)數(shù)據(jù)，并進行顯示和保存。Cypress公司提供的USB主機控制函數(shù)庫CyAPI.lib可實現(xiàn)Visual C++環(huán)境下對USB設(shè)備的讀寫。在使用Cypress公司提供的驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，只需在主機程序中加入頭文件CyAPI.h和庫文件CyAPI.lib，然后便可以調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)。

界面程序主要分為四部分：1)USB設(shè)備連接檢測和選擇。通過Isopen來檢測USB設(shè)備連接，并根據(jù)設(shè)備PID/VID選擇需要通信的USB設(shè)備。2)數(shù)據(jù)接收操作。通過“Start”按鈕，開啟數(shù)據(jù)接收主進程，并利用多線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時接收、顯示和保存。再次點擊此按鈕，結(jié)束數(shù)據(jù)接收操作。3)數(shù)據(jù)發(fā)送操作。將預(yù)發(fā)送的數(shù)據(jù)以文件的形式保存，通過組合框控件，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送操作，同時記錄已發(fā)送的數(shù)據(jù)，以備后期查看。4)輔助功能。輔助功能主要包括數(shù)據(jù)保存時間間隔設(shè)置、接收數(shù)據(jù)文件保存目錄設(shè)置和發(fā)送數(shù)據(jù)編輯等。表2對實現(xiàn)界面程序主要操作和功能的方法作了詳細介紹。

4 實驗結(jié)果與分析

在模塊測試中，將FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)作為外設(shè)數(shù)據(jù)來源，F(xiàn)PGA以00-3F的遞增數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)包，循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。利用此傳輸模塊來接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)包，接收保存的數(shù)據(jù)包內(nèi)容如圖6所示。表明系統(tǒng)可正確保存接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸中界面狀態(tài)，編輯框?qū)崟r顯示接收的數(shù)據(jù)，滿足了系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)顯示的功能要求。實驗結(jié)果表明，可以準確無誤地實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的顯示和保證操作，滿足外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸要求。

表2 上位機界面程序主要操作和功能

圖6 模塊接收保存的遞增數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

采用CY7C68013A的數(shù)據(jù)傳輸模塊，集成了USB的諸多優(yōu)點。利用其軟配置特性，保證了模塊的可拓展性；利用其熱插拔和即插即用特性，保證了模塊的實用性；采用端口模式，縮短了開發(fā)周期；采用命令/響應(yīng)式的傳輸方式，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。針對于低速實時傳輸和高速非實時傳輸?shù)耐庠O(shè)，此傳輸模塊均為一種有效的選擇方案，具有很高的實用價值。同時，也為USB其他接口模式的開發(fā)提供了借鑒意義。

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