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USB控制器是以USB串口引擎為主的專(zhuān)用集成電路，并可延伸至對其進(jìn)行管理的MCU以及相應的軟硬件。目前市場(chǎng)上供應的USB控制器主要有2種：帶USB接口的單片機(MCU)或純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機可分為2類(lèi)：一類(lèi)是從底層設計專(zhuān)用于USB控制的單片機，如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等，由于開(kāi)發(fā)工具的專(zhuān)用性，往往應用于各種專(zhuān)業(yè)應用場(chǎng)合，如微機主板等[2-4]；另一類(lèi)是增加了USB接口的普通單片機，如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB，由于均基于8051內核，因而得到了廣泛應用。 1 CY7C68013與系統結構簡(jiǎn)介 Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0協(xié)議的微處理器，支持12 Mb/s的全速傳輸和480 Mb/s的高速傳輸，具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4種傳輸方式，內部包括一個(gè)增強型8051處理器內核、一個(gè)串行接口引擎（SIE）、一個(gè)USB收發(fā)器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存儲器以及一個(gè)通用可編程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz時(shí)鐘頻率，內部可自動(dòng)產(chǎn)生480 MHz的頻率供USB2.0串行收發(fā)引擎使用。由于數據緩沖器與SIE相連接，數據進(jìn)入收發(fā)器后，通過(guò)SIE可直接轉向FIFO，通過(guò)8 bit或16 bit數據接口與外設連接，存取數據。微控制器不參與數據傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪(fǎng)問(wèn)這些共享FIFO，從而實(shí)現低速控制、高速傳輸。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3種接口模式，本系統采用Slave FIFO接口模式，選用控制傳輸和塊傳輸2種方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。 本數據傳輸系統分為3部分：發(fā)送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并轉換)功能的CPLD芯片（MAX7128）以及光纖傳輸模塊。其中，CY7C68013和MAX7128之間采用并行連接方式，MAX7128與激光發(fā)送（接收）模塊間是串行連接，如圖1(a)所示。 圖1(a)中，主機將數據發(fā)送到CY7C68013端點(diǎn)FIFO緩沖器中，然后CY7C68013將端點(diǎn)FIFO中的數據分字節放到一組I/O口上，并且使能讀信號，MAX7128讀取I/O上的邏輯值，當接收512 B后，MAX7128將這512 B的數據從低到高串行發(fā)送給激光發(fā)送模塊；數據經(jīng)過(guò)光纖傳輸，進(jìn)入激光接收模塊，輸出串行信號，通過(guò)MAX7128實(shí)現串并轉換，數據寬度為8 bit，通過(guò)CY7C68013的從屬FIFO的寫(xiě)入時(shí)序即可將數據寫(xiě)入CY7C68013的端點(diǎn)緩沖器中。 USB數據傳輸接口開(kāi)發(fā)分為4個(gè)層次，接口硬件、接口軟件、驅動(dòng)和應用程序如圖1(b)所示。 2 固件程序設計 由于高速數據傳輸不需要固件程序參與，固件程序僅僅處理主機的發(fā)送請求。在發(fā)送端，固件將數據放置到I/O口上供MAX7128讀��；在接收端，MAX7128完成串并轉換后，將數據用特定時(shí)序寫(xiě)入CY7C68013。此時(shí)只需設定寄存器，固件程序相對簡(jiǎn)單，圖2為發(fā)送和接收固件程序流程。 CY7C68013芯片固件程序負責處理主（從）機發(fā)送來(lái)的各種請求，以完成與外圍電路間的各種數據傳輸。本系統固件一共包含九個(gè)程序文件，其中的頭文件分別定義了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、數據類(lèi)型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延遲宏、用來(lái)描述CY7C68013狀態(tài)的各種USB描述符、INT2和INT4中斷跳轉表等。主函數負責處理標準USB請求和自定義請求，控制整個(gè)硬件系統的運行。接收端固件主循環(huán)不用做任何操作，與發(fā)送端程序流程圖完全相同。其固件運行的主程序清單如下，負責處理主機發(fā)出的各種USB請求。 …… TD_Init()；//初始化用戶(hù)設備 EZUSB_IRQ_ENABLE()；//使能USB中斷（INT2) EZUSB_ENABLE_RSMIRQ()；//使能喚醒中斷 INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN)；//使能INT2 //和INT4中斷跳轉向量 USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES | bmHSGRANT；//使能所選擇的中斷 EA=1；//打開(kāi)8051中斷 UsbDisconnect()； CKCON=(CKCON&("bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_ VALUE；//設為0值 Sleep=FALSE；//清除sleep標志 while(TRUE)//主循環(huán) { if(GotSUD)//等待SETUP令牌數據的到來(lái) { ParseControlTransfer()；//處理SETUP令牌數據 GotSUD=FALSE；//清除SUDAV標志 } if (Sleep) { Sleep=FALSE；//清除sleep標志 do { EZUSB_Susp()；//置8051為空閑 } while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP())； EZUSB_Resume()；//從空閑狀態(tài)恢復 } TD_Poll()；//完成用戶(hù)任務(wù) } …… 需要強調的是：固件程序設計完成后需要進(jìn)行調試，確保系統硬件正常工作。 (1)工作時(shí)鐘頻率的確定：晶振兩引腳對地電壓均為1.6 V左右，此時(shí)CLKOUT引腳默認輸出為24 MHz，當輸出48 MHz時(shí)，電壓為2.5 V。 (2)電平觸發(fā)中斷方式：中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器（命令40 H"45 H），以清除中斷寄存器中的中斷標志，這樣中斷輸出才能變回高電平。 (3)使能端口：接收到Setup包后，必須用ACKsetup命令重新使能端口為低電平。 (4)緩沖區數據標志：在向IN端點(diǎn)寫(xiě)完數據后，必須設置EP2BCH  ，指明緩沖區中的數據有效，示意可以發(fā)送到主機。當IN端點(diǎn)的數據被外設讀走后，一定要調用OUTPKTEND來(lái)清除緩沖區數據，否則無(wú)法向IN端點(diǎn)寫(xiě)入數據。在USB設備枚舉的過(guò)程中，可采用USB調試工具BusHound軟件來(lái)抓取它和主機的通信數據進(jìn)行分析，以檢查硬件和固件程序的工作是否正確。 3 驅動(dòng)程序設計 為了配合CY7C68013的工作，需要有驅動(dòng)程序[6，7]以使上位機程序能正常訪(fǎng)問(wèn)USB芯片。以Cypress公司提供的參考程序為基礎，增加自定義控制請求即可。 由于驅動(dòng)程序必須和系統的總線(xiàn)驅動(dòng)進(jìn)行通信，系統總線(xiàn)驅動(dòng)為WDM(Win32 Driver Model)驅動(dòng)。因此，USB驅動(dòng)程序采用WDM設備驅動(dòng)程序。由于USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序（USBD）一般由操作系統提供，負責與實(shí)際的硬件打交道，因此，重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)USB設備驅動(dòng)程序（USB Device Driver）。USB設備的WDM驅動(dòng)程序是通過(guò)創(chuàng )建URB(USB請求塊)，并向USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序發(fā)送包含URB的IRP來(lái)實(shí)現對USB設備信息的發(fā)送和接收。此外，USB設備驅動(dòng)程序除負責處理應用程序的I/O請求外，還要處理PnP請求。 CY7C68013的驅動(dòng)程序包括2部分：usbfft.sys，專(zhuān)用于下載芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位機和CY7-C68013進(jìn)行通訊的部分，用于實(shí)現數據收發(fā)功能。這2個(gè)部分都存放在上位機上，當系統上電或USB連接時(shí)，固件部分將自動(dòng)下載到芯片的RAM中供8051執行。 4 應用程序設計 上位機是人機交互的平臺，需要良好的操作界面。本系統通過(guò)VB6.0開(kāi)發(fā)了上位機應用程序，運行界面如圖3所示。 應用程序是完成數據發(fā)送與接收并且對系統進(jìn)行有效控制的平臺，不僅需要向CY7C68013發(fā)送數據，還需要將接收的數據顯示出來(lái)并保存。此外為了系統測試的方便，增加了誤碼率和速率測試模塊，以測試系統的整體性能。 本系統上位機的主要功能有：(1)文件的發(fā)送；(2)文件的接收；(3)速率測試；(4)誤碼率測試；(5)系統控制，用來(lái)獲取CY7C68013描述符以及其內部寄存器的情況，并對整個(gè)系統進(jìn)行控制，如使能CY7C68013的數據輸出功能及片內數據轉移功能等。 系統中定義了6個(gè)時(shí)間控件來(lái)完成數據的發(fā)送與接收，timer1、timer3和timer4分別完成文件、誤碼率及速率測試的發(fā)送，Timer2、timer6和timer8分別完成文件、誤碼率及速率測試的接收。另外定義了一個(gè)時(shí)間控件來(lái)控制開(kāi)啟哪一個(gè)接收數據時(shí)間控件。為了保證有效判斷所接收到的數據是文件、速率測試還是誤碼率測試數據，在timer1、timer3和timer4發(fā)送前都先發(fā)送一個(gè)512 B的前導包。全為1時(shí)表示下一個(gè)數據包包含著(zhù)速率測試數據，全為2時(shí)表示下一個(gè)數據包包含著(zhù)誤碼率測試數據，全為3時(shí)表示下一個(gè)數據包包含著(zhù)文件數據。這樣就能判斷出應該開(kāi)啟哪一個(gè)接收時(shí)鐘。 具體的文件數據處理方法是：文件打開(kāi)后，先將文件緩沖，定義一個(gè)二維數組：行512 B，列由文件大小決定。數組的第一個(gè)512 B前20 B記錄所發(fā)送文件的大小，并且在最開(kāi)始的5 B以0xAA填充，表明這個(gè)數據包是全部文件的開(kāi)始，當文件大小不足填滿(mǎn)最后的512 B時(shí)，數據補0，但數組結尾為0xAA。 采用CY7C68013設計的高速數據傳輸系統，經(jīng)過(guò)測試，達到了設計要求，實(shí)現了數據的高速傳輸，為下一步開(kāi)展數據編碼/譯碼、調制/解調研究打下了良好的基礎。 |
