基于CY7C68013A的USB控制系统设计研究

引言
    通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)作为计算机上的新型接口技术，越来越受到人们的青睐。与以前的RS 232，RS 485，ISA，PCI和并行接口等接口相比，USB避免了接口体积大、接口规范不统一、不支持热插拔等缺陷，具有使计算机与外部设备连接十分方便的优点。目前，很多设备都开始使用USB接口来实现，如鼠标、键盘、打印机等。在实际设计工作当中，也越来越多地采用了USB技术，如数据采集等。USB的设计和应用已经成为现代电子设计中一个非常重要的部分。

1 USB 2．0特点
    USB是一种高效、快速、价格低廉、体积小的新型串行通信接口，其最大的特点是支持热插拔，可以在不重新启动计算机的情况下直接将USB外部设备连接到计算机并开始通信。
    USB具有以下主要特点：
    (1)节省系统资源。在计算机中，系统为USB主控制器分配一根中断控制线和一些输入／输出地址，USB再为外部设备分配惟一的地址。
    (2)可以提供电源。计算机上的USB接口可以向外部设备提供一定的电力支持，其输出电流最小值为100 mA，最大值为500 mA，输出电压为5 V。
    (3)良好的兼容性。USB规范已经有USB 1．O，USB 1．1，USB 2．O，无线USB等多个版本的协议，这些协议都有很好的向下兼容性。
    (4)共享式接口。USB采用“菊花链”式的连接方式，同时支持多个设备的连接，一个USB主控制器最多可以连接126个外部设备。

2 CY7C68013A的主要特点
    CY7C68013A是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列低功耗版本单片机，具有和8051兼容的CPU和指令系统，同时包括USB接口和完整的USB 2．0协议引擎，并且提供了完善的固件及主机程序开发包。该单片机的CPU采用的是增强型805l内核，比标准的8051的速度快，硬件资源更为丰富，功能更强大。主要具有以下特点：
    (1)具有第二个数据指针；
    (2)具有第二个USATRT；
    (3)I2C总线接口；
    (4)8个额外的中断(INT2～INT6，WAKEUP，T2，USARTl)；
    (5)CPU时钟可以运行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。

3 控制系统设计
    基于USB的控制系统设计主要包含两个方面的内容，分别为固件程序的开发和上位机(主机)控制界面的设计。CY7C68013A芯片采用的是一种软配置模式，即程序和数据都存放在内部RAM中，并从RAM中开始执行。
3．1 启动模式的选择
    EZ-USB在没有固件的情况下列举为一个缺省的USB设备，并且将其固件和描述符等下载到EZ-USB后，开始执行固件程序，此时模拟一个物理上的断开重新连接过程。在列举为一个USB设备时，根据芯片有没有连接E2PROM，以及E2PROM中第一个字节值的不同，其处理方式有很多。主要有：不连接E2PROM的缺省设备列举、CO加载、C2加载等启动方式。在此系统的设计过程中，采用第一种方式，即芯片没有连接任何片外存储器，USB的描述符以及VID，PID和DID等均由芯片内置的逻辑提供，然后根据驱动程序中提供的VID，PID和DID把主机上对应的固件程序下载到片内的RAM中，并执行固件代码。该方式具有硬件连接简单，节省器件等特点。
3．2 硬件系统框图
    整个系统的硬件框图如图1所示。可以看出USB控制系统在整个系统中起到桥梁作用，用于连接上位机和外部设备。

    上位机发送控制指令给USB设备，信息处于下行状态，解码后用来控制外围设备执行相应功能。上位机需要从外设获得信息(如数据采集)，信息处于上行状态，由USB设备负责控制外设并将数据传送到上位机，由上位机分析、显示。
3．3 固件程序设计
    在固件中，主要实现芯片外围设备的控制，以及对USB设备的功能描述等任务，同时负责与上位机通信，响应上位机的标准请求和自定义请求。
    描述符主要是让上位机了解USB功能设备的基本配置信息和能力，如端点、接口等。在此主要使用标准描述符来说明USB设备，如设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、设备限定描述符等。在该设备中，这些描述符的层次结构如图2所示。

    系统中使用了2个配置描述符，分别为高速配置和全速配置，每个配置使用1个接口，并对应1个接口描述符，每个接口应用了4个端点，对应4个端点描述符。同时端点配置为块传输模式，2、4端点为OUT，6、8端点为IN，最大数据包长度为512 B，上位机通过O端点来操作、控制USB设备。设备描述符中VID=Ox04B4，PID=0x1304，用于指示设备供应商和产品信息，并用于上电时帮助主机加载合适的驱动程序，进而下载相应的固件程序。固件中对标准请求的响应部分，主要是让上位机能够对描述符进行读取和写操作。自定义请求响应主要实现上位机发送控制命令，来使能USB功能设备、以及执行相应的功能的目的，如DR_SendData，DR_ReadData。

    固件设计流程图如图3所示。

    用户初始化设备部分放在TD_Init()子程序中，负责整个USB设备的初始化过程。在定向描述符之后，需要把所用中断打开，并开启8051全局中断EA=1。由于EZ-USB设备启动需要重列举，因而需要通过设置和判断USBCS寄存器的RENUM和DISCON位来模拟设备物理上的断开和连接过程。用户外围设备控制功能的实现放在TD_Poll()子程序中，同时主循环中的SetupCommand()子程序用于接收、分析上位机的控制信号，响应上位机请求(标准请求和用户自定义请求)。
3．4 上位机界面设计
    为了能够很好地控制USB设备，需要编写上位机控制界面。界面程序在VC++6．O环境下开发，该环境具有编程简单、快捷等的特点，便于开发可视化程序。Cypress公司为EZ_USB系列芯片提供了开发库CyAPI．lib，使用其中的控制函数类，可以在VC++6．0环境下开发界面程序。建立MFC(exe)工程后，在工程中加入CyAPI．lib，并且在主文件头部添加EZ-USB开发环境中提供的CyAPI．h，cyioctl．h头文件。利用库中的控制函数，如VendorID，ProductID等，可以获取USB设备的描述信息，同时也可以编写相关的控制功能程序。
3．5 系统设计中关键问题
    (1)一个设备只能有一个设备描述符，可以有多个配置描述符，多个接口描述符，以及多个端点描述符。
    (2)设备描述符中VID，PID要与驱动中的相一致，否则不能自动加载相应的固件程序。
    (3)固件程序必须转换为．spt格式，用于固件加载的驱动程序和固件程序应放在一个文件夹。
    (4)端点0为缺省控制端点，其可设置最大数据包长度为64 B，在设备描述符中wMaxPacketSize字段描述。
    (5)传输模式有中断传输、块传输、同步传输、控制传输四类，需根据自己设计需求选择，同时注意最大数据包长度的设置。

4 驱动程序
    对于USB设备，Windows操作系统要想对其实现操作，必须借助于驱动程序来实现。主机和驱动程序直接通信，交换数据，而驱动程序则和硬件资源进行通信，从而很好地控制USB设备。Cypress提供的开发环境中自带了相关的驱动程序CyLoad．sys和CyUSB．sys，可以直接使用，缩短了系统的开发周期。其中CyLoad．sys用于主机向USB设备下载固件程序，CyUSB．sys实现主机和固件程序通信。为了在CyLoad．sys的帮助下实现固件的自动下载，固件程序CyLoad．HEX必须转换为适合自动下载的CyLoad．spt文件，并且与CyLoad．sys一起放在CyLoad文件夹下，拷贝到系统system32目录下。在安装文件CyUSB．inf中设置的PID，VID必须和描述符中的一致，使得能够自动加载对应固件。

5 实验
    实验系统，采用CY7C68013A-56pin作为USB设备芯片，实现控制LED和读取I／O数据功能。由于芯片采用3．3 V电压供电，因此可以从主机USB口取电，经LM317电压调整芯片转换为3．3 V，也可外接3．3 V电压供电。在PD口接LED，显示TD_Poll(void)实现的功能(灯亮／灭间隔300 ms)，而PA口LED用于显示判断主机发送数据。PB口接高／低电平，用于主机读取该口数据，可以验证主机接收数据的正确性。

    初始化子程序：
   
    主机控制界面运行如图4所示。

    界面中的USB Information分类框中为USB描述相关信息，由主机通过标准请求获得。Operation分类框中为主机向USB设备PA口发送数据，以及从USB设备的PB读取数据的情况。

6 结语
    采用CY7C68013A实现USB控制系统，无论在固件程序编写、主机控制界面开发，以及设备驱动程序的使用等方面，都具有简单、方便的优点。系统采用设备固件存放在主机上的方法，不但简化了硬件设计，节约元器件成本，而且也提高了设备的可靠性。同时，此法对以后固件升级或更改设备功能，也十分简便，只需把固件修改好并放到主机相应位置，在USB设备再次插入主机时，就可以实现固件自动更新。文中给出一些设计过程中需要注意的关键问题，对于USB控制设备的设计具有一定的指导作用。上述系统和程序经过实际运行，工作稳定、可靠。