基于CY7C68013A的USB控制系統(tǒng)設(shè)計研究

引言
通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)作為計算機上的新型接口技術(shù)，越來越受到人們的青睞。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，具有使計算機與外部設(shè)備連接十分方便的優(yōu)點。目前，很多設(shè)備都開始使用USB接口來實現(xiàn)，如鼠標、鍵盤、打印機等。在實際設(shè)計工作當中，也越來越多地采用了USB技術(shù)，如數(shù)據(jù)采集等。USB的設(shè)計和應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計中一個非常重要的部分。

1 USB 2．0特點
USB是一種高效、快速、價格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點是支持熱插拔，可以在不重新啟動計算機的情況下直接將USB外部設(shè)備連接到計算機并開始通信。
USB具有以下主要特點：
(1)節(jié)省系統(tǒng)資源。在計算機中，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。計算機上的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，無線USB等多個版本的協(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，同時支持多個設(shè)備的連接，一個USB主控制器最多可以連接126個外部設(shè)備。

2 CY7C68013A的主要特點
CY7C68013A是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列低功耗版本單片機，具有和8051兼容的CPU和指令系統(tǒng)，同時包括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程序開發(fā)包。該單片機的CPU采用的是增強型805l內(nèi)核，比標準的8051的速度快，硬件資源更為豐富，功能更強大。主要具有以下特點：
(1)具有第二個數(shù)據(jù)指針；
(2)具有第二個USATRT；
(3)I2C總線接口；
(4)8個額外的中斷(INT2～INT6，WAKEUP，T2，USARTl)；
(5)CPU時鐘可以運行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計
基于USB的控制系統(tǒng)設(shè)計主要包含兩個方面的內(nèi)容，分別為固件程序的開發(fā)和上位機(主機)控制界面的設(shè)計。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中開始執(zhí)行。
3．1 啟動模式的選擇
EZ-USB在沒有固件的情況下列舉為一個缺省的USB設(shè)備，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開始執(zhí)行固件程序，此時模擬一個物理上的斷開重新連接過程。在列舉為一個USB設(shè)備時，根據(jù)芯片有沒有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個字節(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加載等啟動方式。在此系統(tǒng)的設(shè)計過程中，采用第一種方式，即芯片沒有連接任何片外存儲器，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)動程序中提供的VID，PID和DID把主機上對應(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單，節(jié)省器件等特點。
3．2 硬件系統(tǒng)框圖
整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。可以看出USB控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到橋梁作用，用于連接上位機和外部設(shè)備。

上位機發(fā)送控制指令給USB設(shè)備，信息處于下行狀態(tài)，解碼后用來控制外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)功能。上位機需要從外設(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)備負責控制外設(shè)并將數(shù)據(jù)傳送到上位機，由上位機分析、顯示。
3．3 固件程序設(shè)計
在固件中，主要實現(xiàn)芯片外圍設(shè)備的控制，以及對USB設(shè)備的功能描述等任務(wù)，同時負責與上位機通信，響應(yīng)上位機的標準請求和自定義請求。
描述符主要是讓上位機了解USB功能設(shè)備的基本配置信息和能力，如端點、接口等。在此主要使用標準描述符來說明USB設(shè)備，如設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、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。

系統(tǒng)中使用了2個配置描述符，分別為高速配置和全速配置，每個配置使用1個接口，并對應(yīng)1個接口描述符，每個接口應(yīng)用了4個端點，對應(yīng)4個端點描述符。同時端點配置為塊傳輸模式，2、4端點為OUT，6、8端點為IN，最大數(shù)據(jù)包長度為512 B，上位機通過O端點來操作、控制USB設(shè)備。設(shè)備描述符中VID=Ox04B4，PID=0x1304，用于指示設(shè)備供應(yīng)商和產(chǎn)品信息，并用于上電時幫助主機加載合適的驅(qū)動程序，進而下載相應(yīng)的固件程序。固件中對標準請求的響應(yīng)部分，主要是讓上位機能夠?qū)γ枋龇M行讀取和寫操作。自定義請求響應(yīng)主要實現(xiàn)上位機發(fā)送控制命令，來使能USB功能設(shè)備、以及執(zhí)行相應(yīng)的功能的目的，如DR_SendData，DR_ReadData。