文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2010)07-0073-03
USB控制器是以USB串口引擎为主的专用集成电路,并可延伸至对其进行管理的MCU以及相应的软硬件。目前市场上供应的USB控制器主要有2种:带USB接口的单片机(MCU)或纯粹的USB接口芯片。带USB接口的单片机可分为2类:一类是从底层设计专用于USB控制的单片机,如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等[1],由于开发工具的专用性,往往应用于各种专业应用场合,如微机主板等[2-4];另一类是增加了USB接口的普通单片机,如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB,由于均基于8051内核,因而得到了广泛应用。
1 CY7C68013与系统结构简介
Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0协议的微处理器,支持12 Mb/s的全速传输和480 Mb/s的高速传输,具有控制传输、中断传输、块传输和同步传输4种传输方式,内部包括一个增强型8051处理器内核、一个串行接口引擎(SIE)、一个USB收发器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存储器以及一个通用可编程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz时钟频率,内部可自动产生480 MHz的频率供USB2.0串行收发引擎使用。由于数据缓冲器与SIE相连接,数据进入收发器后,通过SIE可直接转向FIFO,通过8 bit或16 bit数据接口与外设连接,存取数据。微控制器不参与数据传输,但允许以FIFO或RAM的方式访问这些共享FIFO,从而实现低速控制、高速传输。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3种接口模式,本系统采用Slave FIFO接口模式,选用控制传输和块传输2种方式,外部控制器可像普通FIFO一样对FIFO进行读写。
本数据传输系统分为3部分:发送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并转换)功能的CPLD芯片(MAX7128)以及光纤传输模块。其中,CY7C68013和MAX7128之间采用并行连接方式,MAX7128与激光发送(接收)模块间是串行连接,如图1(a)所示。
图1(a)中,主机将数据发送到CY7C68013端点FIFO缓冲器中,然后CY7C68013将端点FIFO中的数据分字节放到一组I/O口上,并且使能读信号,MAX7128读取I/O上的逻辑值,当接收512 B后,MAX7128将这512 B的数据从低到高串行发送给激光发送模块;数据经过光纤传输,进入激光接收模块,输出串行信号,通过MAX7128实现串并转换,数据宽度为8 bit,通过CY7C68013的从属FIFO的写入时序即可将数据写入CY7C68013的端点缓冲器中。
USB数据传输接口开发分为4个层次,接口硬件、接口软件、驱动和应用程序如图1(b)所示。
2 固件程序设计
由于高速数据传输不需要固件程序参与,固件程序仅仅处理主机的发送请求。在发送端,固件将数据放置到I/O口上供MAX7128读取;在接收端,MAX7128完成串并转换后,将数据用特定时序写入CY7C68013。此时只需设定寄存器,固件程序相对简单,图2为发送和接收固件程序流程。
CY7C68013芯片固件程序负责处理主(从)机发送来的各种请求,以完成与外围电路间的各种数据传输。本系统固件一共包含九个程序文件,其中的头文件分别定义了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、数据类型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延迟宏、用来描述CY7C68013状态的各种USB描述符、INT2和INT4中断跳转表等。主函数负责处理标准USB请求和自定义请求,控制整个硬件系统的运行。接收端固件主循环不用做任何操作,与发送端程序流程图完全相同。其固件运行的主程序清单如下,负责处理主机发出的各种USB请求。
……
TD_Init();//初始化用户设备
EZUSB_IRQ_ENABLE();//使能USB中断(INT2)
EZUSB_ENABLE_RSMIRQ();//使能唤醒中断
INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN);//使能INT2
//和INT4中断跳转向量
USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES |
bmHSGRANT;//使能所选择的中断
EA=1;//打开8051中断
UsbDisconnect();
CKCON=(CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_
VALUE;//设为0值
Sleep=FALSE;//清除sleep标志
while(TRUE)//主循环
{
if(GotSUD)//等待SETUP令牌数据的到来
{
ParseControlTransfer();//处理SETUP令牌数据
GotSUD=FALSE;//清除SUDAV标志
}
if (Sleep)
{
Sleep=FALSE;//清除sleep标志
do
{
EZUSB_Susp();//置8051为空闲
}
while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP());
EZUSB_Resume();//从空闲状态恢复
}
TD_Poll();//完成用户任务
}
……
需要强调的是:固件程序设计完成后需要进行调试,确保系统硬件正常工作。
(1)工作时钟频率的确定:晶振两引脚对地电压均为1.6 V左右,此时CLKOUT引脚默认输出为24 MHz,当输出48 MHz时,电压为2.5 V。
(2)电平触发中断方式:中断后一定要读上次传输状态寄存器(命令40 H~45 H),以清除中断寄存器中的中断标志,这样中断输出才能变回高电平。
(3)使能端口:接收到Setup包后,必须用ACKsetup命令重新使能端口为低电平。
(4)缓冲区数据标志:在向IN端点写完数据后,必须设置EP2BCH:L,指明缓冲区中的数据有效,示意可以发送到主机。当IN端点的数据被外设读走后,一定要调用OUTPKTEND来清除缓冲区数据,否则无法向IN端点写入数据。
在USB设备枚举的过程中,可采用USB调试工具BusHound软件来抓取它和主机的通信数据进行分析,以检查硬件和固件程序的工作是否正确。
3 驱动程序设计
为了配合CY7C68013的工作,需要有驱动程序[6,7]以使上位机程序能正常访问USB芯片。以Cypress公司提供的参考程序为基础[1],增加自定义控制请求即可。
由于驱动程序必须和系统的总线驱动进行通信,系统总线驱动为WDM(Win32 Driver Model)驱动。因此,USB驱动程序采用WDM设备驱动程序[8]。由于USB总线驱动程序(USBD)一般由操作系统提供,负责与实际的硬件打交道,因此,重点是开发USB设备驱动程序(USB Device Driver)。USB设备的WDM驱动程序是通过创建URB(USB请求块),并向USB总线驱动程序发送包含URB的IRP来实现对USB设备信息的发送和接收。此外,USB设备驱动程序除负责处理应用程序的I/O请求外,还要处理PnP请求。
CY7C68013的驱动程序包括2部分:usbfft.sys,专用于下载芯片的固件程序;loaderfft.sys,上位机和CY7-
C68013进行通讯的部分,用于实现数据收发功能。这2个部分都存放在上位机上,当系统上电或USB连接时,固件部分将自动下载到芯片的RAM中供8051执行。
4 应用程序设计
上位机是人机交互的平台,需要良好的操作界面。本系统通过VB6.0开发了上位机应用程序,运行界面如图3所示。
应用程序是完成数据发送与接收并且对系统进行有效控制的平台,不仅需要向CY7C68013发送数据,还需要将接收的数据显示出来并保存。此外为了系统测试的方便,增加了误码率和速率测试模块,以测试系统的整体性能。
本系统上位机的主要功能有:(1)文件的发送;(2)文件的接收;(3)速率测试;(4)误码率测试;(5)系统控制,用来获取CY7C68013描述符以及其内部寄存器的情况,并对整个系统进行控制,如使能CY7C68013的数据输出功能及片内数据转移功能等。
系统中定义了6个时间控件来完成数据的发送与接收,timer1、timer3和timer4分别完成文件、误码率及速率测试的发送,Timer2、timer6和timer8分别完成文件、误码率及速率测试的接收。另外定义了一个时间控件来控制开启哪一个接收数据时间控件。为了保证有效判断所接收到的数据是文件、速率测试还是误码率测试数据,在timer1、timer3和timer4发送前都先发送一个512 B的前导包。全为1时表示下一个数据包包含着速率测试数据,全为2时表示下一个数据包包含着误码率测试数据,全为3时表示下一个数据包包含着文件数据。这样就能判断出应该开启哪一个接收时钟。
具体的文件数据处理方法是:文件打开后,先将文件缓冲,定义一个二维数组:行512 B,列由文件大小决定。数组的第一个512 B前20 B记录所发送文件的大小,并且在最开始的5 B以0xAA填充,表明这个数据包是全部文件的开始,当文件大小不足填满最后的512 B时,数据补0,但数组结尾为0xAA。
采用CY7C68013设计的高速数据传输系统,经过测试,达到了设计要求,实现了数据的高速传输,为下一步开展数据编码/译码、调制/解调研究打下了良好的基础。
参考文献
[1] www.cypress.com.EZ-USB FX2 Technical Reference Manual.
[2] 戴红梅,胡仁杰.USB(通用串行总线)及USB外设的开发[J].电测与仪表,2000(12):53-56.
[3] 陈明智,李锋,尚淮.USB通信协议分析和系统设计[J].自动化与仪器仪表,2006(6):46-49.
[4] 邹建彬,高凯,张尔扬.基于USB 2.0协议的高速图像传输系统[J].现代电子技术,2009(22):195-197.
[5] 李鉴,黄大勇.基于CY7C68013的USB数据采集系统[J].微计算机信息.测控自动化,2009,25(1-1):97-98+154.
[6] 陆原,魏杰,孟玮.Windows XP环境下USB设备驱动程序的开发[J].国外电子元器件,2007(7):28-30.
[7] 陈新忠.USB设备驱动程序设计[J].电子产品世界,2009(5):48-51.
[8] 王跃钢 ,韩心中.基于WDM模式的USB设备驱动程序开发[J].微计算机信息(管控一体化),2006,22(8-3):
305-307.