基于CY7C68013A的并口转USB口数据采集系统设计

2011-10-09代月松董力科孙正席陈昌鑫

电子设计工程 2011年16期

代月松，董力科，孙正席，陈昌鑫

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的接口技术。USB以其可以热插拔和即插即用的特性，获得广泛的市场认可。USB1.0标准于1996年1月提出，传输速度为1.5 Mb/s的低速模式；1998年9月提出的USB1.1标准则将速度提高到12 Mb/s的全速模式，并且增加了中断传输的传输方式。USB2.0标准于2000年4月提出，将传输速度提高了40倍，达到了480 Mb/s的高速模式，足以满足大多数外设的速率要求[1]。

1 系统硬件电路设计

1.1 系统结构和数据流程

系统的硬件设计原理框图如图1所示，硬件电路部分主要包含电源转换、数据传输接口电路、并转串电路、程序存储部分等4个部分。

本系统采用具有微处理器的USB接口CY7C68013A，工作过程：系统接入计算机，系统上电，单片机从外接EEPROM中下载程序，初始化自身的寄存器，并且设置外围电路状态，计算机识别USB设备后，客户软件将要确认打开USB设备以及工作状态，由计算机发出读数请求和参数设置请求，二者是相互独立进行的，就可以完成PC机和测试系统之间的数据交换工作，这些都需要单片机固件和硬件电路的配合。

图1 系统总体设计图Fig.1 Whole system design diagram

1.2 USB主控制器介绍

Cypress公司生产的EZ-USB FX2 CY7C68013A集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器可编程的外围接口。CY7C68013A可提供480 Mb/s的传输率。CY7C68013A的内部FIFO缓冲区中有4个端点，可以通过配置相应的EPxFIFOCFG寄存器配置为2倍、3倍、4倍缓冲区，这种设计可以把数据包可用的时间延时减至最小，从而增加带宽的吞吐量。该芯片有3种工作模式，分别为普通端口模式、GPIF主控模式、和从属FIFO模式[2]。

2 软件设计

2.1 GPIF接口模式

本设计采用GPIF主控模式，GPIF作为CY7C68013A端点FIFO的主控制器。在普通端口模式下，所有I/O引脚都可作为8051的通用I/O口。在“从FIFO”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与FX2端点FIFO相连。在这种模式下，GPIF不被激活，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为FX2接口提供自己的独立时钟。GPIF主控模式是在高速传输的过程中，8051内核不介入传输通道，并行数据的读入和打包全部由硬件完成。在GPIF配置这些硬件时，Cypress公司有个独特的设计构想，8051仅用来配置波形描述符，配置完成后，8051退出数据传输通路，GPIF通过读入的波形描述符，在相应引脚上产生一系列信号，包括控制信号和读写数据总线的信号。为了提高数据传输速率，读取数据时的传输类型使用批量传输方式。USB规范限定了批量传输的数据包长度：对于USB1.1规范，数据包长度为最大64字节，而USB2.0规范，数据包长度只能为512字节。就是说在USB1.1主机控制下，在读取数据时一次最大能读取64字节数据，在USB2.0主机控制下，在读取数据时一次只能读取512字节数据。具体读取数据时GPIF方式的启动次数将与数据读写量结合计算得到，并且由上位机程序和单片机固件配合使用[3]。

2.2 固件程序设计

固件是指存储在USB接口芯片或微控器中的代码，于控制硬件系统运行，各种USB标准请求的处理，以及USB闲置模式的电源管理服务，实现主机与外设之间的通信和数据传输。固件程序采用C51语言来编程，使用Keil软件作为编程工具[4]。Cypress公司为FX2固件开发提供了一个固件库和固件框架，固件库提供了一些常量、数据结构、函数来方便用户对芯片的使用。C语言环境，同时保留了汇编代码高效、快速的特点，代码在Keil软件中编译通过后，将固件代码下载到FX2中，就可以实现GPIF多字节读等操作。

固件程序框架流程图如图2所示。

复位上电时，固件先初始化一些全局变量，接着调用初始化任务调度函数TD_INIT（），开中断，等待设备重枚举完成（端点0接收到SETUP包），最后进入循环语句，执行任务调度，函数包括：

1）TD_Poll（）任务调度函数。

2）如果发现USB控制请求则执行。

3）如果发现USB空闲置位，则调用TD_Suspend（），函数执行成功则将内核挂起，直到出现USB远程唤醒信号，调用TD_Resume（），唤醒内核。

2.3 GPIF波形图

GPIF波形设计是CY7C68013A的最核心特点之一。根据测试系统的读数时序要求，采用GPIF Designer工具设计时序波形，其时序信号具有很好的编程分辨率，并且导出生成 .c文件加载到单片机固件中。

图2 固件程序框架流程图Fig.2 Flow chart of firmware framework

下面根据并口擦除时序为例，利用GPIF Designer画出相应的波形图。如图3所示。

图3 并口擦除过程时序波形设计图Fig.3 Waveform design of parallel erase process timing

S0～S3状态ERE始终为高，ERET始终为低，外围测试系统单片机接收到这两个信号同时满足的话则擦除开始，擦除过程中READY信号一直为低，擦除完毕后变高。这里S4也设置了判断点检测READY信号，如果为高就到IDLE状态结束擦除，否则回到S3继续执行前面的工作。

2.4 USB驱动程序设计

USB系统驱动程序由3部分组成：USB设备驱动程序、USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。其中，Windows操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序；而USB设备驱动程序由设备开发者编写，通过向USB总线驱动程序发送包含URB（USB Request Block）的 IRP（I/O RequestPacket），以实现 USB 外设之间的信息交换。本系统的USB通用驱动程序采用Cypress公司提供的通用驱动ezusb.sys，固件下载驱动程序可以根据编译好的固件在DDK的环境下编译生成[5]。

主机加载USB驱动程序是要先通过读取USB设备的VID和PID，然后才能正确识别并加载的。为了使设备驱动程序能够正确加载运行，还必须为它配备一个安装信息文件即.inf文件。Windows系统使用该.inf文件将USB外设的VID&PID（固件下载时由EEPROM或EZ-USB内核提供，重枚举后由固件程序描述符表提供）与相应的驱动程序绑定到一起。这样，系统在知道了USB外设的VID&PID后就可以通过存储在.inf文件中的信息查找到正确的驱动程序并加载。

用户应用程序通过I/O控制调用访问USB设备驱动程序达到控制USB设备的目的，应用程序首先通过调用Win32函数CreateFile（）来取得访问设备驱动程序的句柄，再利用Win32函数DeviceIoControl（）对设备进行I/O控制[6]。

2.5 应用程序的设计

系统的应用程序界面如图4所示。

图4 系统应用程序界面Fig.4 Interface of system application programming

客户应用程是测试系统软件的核心，由Visual Basic来编写完成，其对USB设备的操作功能为：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道、设置数据端口的初始状态、通过USB接口回传数据、存储、显示并分析数据。因此，应用程序要调用动态链接库DLL68013.d11中封装的 API函数。首先要将 DLL68013.dll拷贝到系统盘的“C：Windows＼System”下面，然后在 Visual Basic的集成编程环境下的模块Module1中声明引用动态连接库 DLL68013.dll中的API函数。

动态链接库文件的使用，需要在应用程序的全局变量定义模块中显式调用.dll文件应用程序会在其所在目录和系统目录下查找.dll文件。在声明过程中需要注意数据类型的匹配问题。