基于CY7C68013A的USB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

引言

通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)作為計(jì)算機(jī)上的新型接口技術(shù)，越來(lái)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(jì)算機(jī)與外部設(shè)備連接十分方便的優(yōu)點(diǎn)。目前，很多設(shè)備都開(kāi)始使用USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)等。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，也越來(lái)越多地采用了USB技術(shù)，如數(shù)據(jù)采集等。USB的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的部分。

1 USB 2．0特點(diǎn)

USB是一種高效、快速、價(jià)格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔，可以在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況下直接將USB外部設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)并開(kāi)始通信。

USB具有以下主要特點(diǎn)：

(1)節(jié)省系統(tǒng)資源。在計(jì)算機(jī)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(shè)備分配惟一的地址。
　    (2)可以提供電源。計(jì)算機(jī)上的USB接口可以向外部設(shè)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(wú)線USB等多個(gè)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(shí)支持多個(gè)設(shè)備的連接，一個(gè)USB主控制器最多可以連接126個(gè)外部設(shè)備。

2 CY7C68013A的主要特點(diǎn)

CY7C68013A是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列低功耗版本單片機(jī)，具有和8051兼容的CPU和指令系統(tǒng)，同時(shí)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(jī)程序開(kāi)發(fā)包。該單片機(jī)的CPU采用的是增強(qiáng)型805l內(nèi)核，比標(biāo)準(zhǔn)的8051的速度快，硬件資源更為豐富，功能更強(qiáng)大。主要具有以下特點(diǎn)：

(1)具有第二個(gè)數(shù)據(jù)指針；
 　   (2)具有第二個(gè)USATRT；
　    (3)I2C總線接口；
  　  (4)8個(gè)額外的中斷(INT2～I(xiàn)NT6，WAKEUP，T2，USARTl)；
  　  (5)CPU時(shí)鐘可以運(yùn)行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于USB的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，分別為固件程序的開(kāi)發(fā)和上位機(jī)(主機(jī))控制界面的設(shè)計(jì)。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(kāi)始執(zhí)行。

3．1 啟動(dòng)模式的選擇

EZ-USB在沒(méi)有固件的情況下列舉為一個(gè)缺省的USB設(shè)備，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開(kāi)始執(zhí)行固件程序，此時(shí)模擬一個(gè)物理上的斷開(kāi)重新連接過(guò)程。在列舉為一個(gè)USB設(shè)備時(shí)，根據(jù)芯片有沒(méi)有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個(gè)字節(jié)值的不同，其處理方式有很多。主要有：不連接E2PROM的缺省設(shè)備列舉、CO加載、C2加載等啟動(dòng)方式。在此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用第一種方式，即芯片沒(méi)有連接任何片外存儲(chǔ)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(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。該方式具有硬件連接簡(jiǎn)單，節(jié)省器件等特點(diǎn)。

3．2 硬件系統(tǒng)框圖

整個(gè)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(gè)系統(tǒng)中起到橋梁作用，用于連接上位機(jī)和外部設(shè)備。

上位機(jī)發(fā)送控制指令給USB設(shè)備，信息處于下行狀態(tài)，解碼后用來(lái)控制外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)功能。上位機(jī)需要從外設(shè)獲得信息(如數(shù)據(jù)采集)，信息處于上行狀態(tài)，由USB設(shè)備負(fù)責(zé)控制外設(shè)并將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，由上位機(jī)分析、顯示。

3．3 固件程序設(shè)計(jì)

在固件中，主要實(shí)現(xiàn)芯片外圍設(shè)備的控制，以及對(duì)USB設(shè)備的功能描述等任務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，響應(yīng)上位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和自定義請(qǐng)求。

描述符主要是讓上位機(jī)了解USB功能設(shè)備的基本配置信息和能力，如端點(diǎn)、接口等。在此主要使用標(biāo)準(zhǔn)描述符來(lái)說(shuō)明USB設(shè)備，如設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、設(shè)備限定描述符等。在該設(shè)備中，這些描述符的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。