基于CY7C68013A的并口轉USB口數據采集系統設計

代月松，董力科，孫正席，陳昌鑫

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應用在PC領域的接口技術。USB以其可以熱插拔和即插即用的特性，獲得廣泛的市場認可。USB1.0標準于1996年1月提出，傳輸速度為1.5 Mb/s的低速模式；1998年9月提出的USB1.1標準則將速度提高到12 Mb/s的全速模式，并且增加了中斷傳輸的傳輸方式。USB2.0標準于2000年4月提出，將傳輸速度提高了40倍，達到了480 Mb/s的高速模式，足以滿足大多數外設的速率要求[1]。

1 系統硬件電路設計

1.1 系統結構和數據流程

系統的硬件設計原理框圖如圖1所示，硬件電路部分主要包含電源轉換、數據傳輸接口電路、并轉串電路、程序存儲部分等4個部分。

本系統采用具有微處理器的USB接口CY7C68013A，工作過程：系統接入計算機，系統上電，單片機從外接EEPROM中下載程序，初始化自身的寄存器，并且設置外圍電路狀態，計算機識別USB設備后，客戶軟件將要確認打開USB設備以及工作狀態，由計算機發出讀數請求和參數設置請求，二者是相互獨立進行的，就可以完成PC機和測試系統之間的數據交換工作，這些都需要單片機固件和硬件電路的配合。

圖1 系統總體設計圖Fig.1 Whole system design diagram

1.2 USB主控制器介紹

Cypress公司生產的EZ-USB FX2 CY7C68013A集成了USB2.0收發器、SIE（串行接口引擎）、增強的8051微控制器可編程的外圍接口。CY7C68013A可提供480 Mb/s的傳輸率。CY7C68013A的內部FIFO緩沖區中有4個端點，可以通過配置相應的EPxFIFOCFG寄存器配置為2倍、3倍、4倍緩沖區，這種設計可以把數據包可用的時間延時減至最小，從而增加帶寬的吞吐量。該芯片有3種工作模式，分別為普通端口模式、GPIF主控模式、和從屬FIFO模式[2]。

2 軟件設計

2.1 GPIF接口模式

本設計采用GPIF主控模式，GPIF作為CY7C68013A端點FIFO的主控制器。在普通端口模式下，所有I/O引腳都可作為8051的通用I/O口。在“從FIFO”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與FX2端點FIFO相連。在這種模式下，GPIF不被激活，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為FX2接口提供自己的獨立時鐘。GPIF主控模式是在高速傳輸的過程中，8051內核不介入傳輸通道，并行數據的讀入和打包全部由硬件完成。在GPIF配置這些硬件時，Cypress公司有個獨特的設計構想，8051僅用來配置波形描述符，配置完成后，8051退出數據傳輸通路，GPIF通過讀入的波形描述符，在相應引腳上產生一系列信號，包括控制信號和讀寫數據總線的信號。為了提高數據傳輸速率，讀取數據時的傳輸類型使用批量傳輸方式。USB規范限定了批量傳輸的數據包長度：對于USB1.1規范，數據包長度為最大64字節，而USB2.0規范，數據包長度只能為512字節。就是說在USB1.1主機控制下，在讀取數據時一次最大能讀取64字節數據，在USB2.0主機控制下，在讀取數據時一次只能讀取512字節數據。具體讀取數據時GPIF方式的啟動次數將與數據讀寫量結合計算得到，并且由上位機程序和單片機固件配合使用[3]。

2.2 固件程序設計

固件是指存儲在USB接口芯片或微控器中的代碼，于控制硬件系統運行，各種USB標準請求的處理，以及USB閑置模式的電源管理服務，實現主機與外設之間的通信和數據傳輸。固件程序采用C51語言來編程，使用Keil軟件作為編程工具[4]。Cypress公司為FX2固件開發提供了一個固件庫和固件框架，固件庫提供了一些常量、數據結構、函數來方便用戶對芯片的使用。C語言環境，同時保留了匯編代碼高效、快速的特點，代碼在Keil軟件中編譯通過后，將固件代碼下載到FX2中，就可以實現GPIF多字節讀等操作。

固件程序框架流程圖如圖2所示。

復位上電時，固件先初始化一些全局變量，接著調用初始化任務調度函數TD_INIT（），開中斷，等待設備重枚舉完成（端點0接收到SETUP包），最后進入循環語句，執行任務調度，函數包括：

1）TD_Poll（ ）任務調度函數。

2）如果發現USB控制請求則執行。

3）如果發現USB空閑置位，則調用TD_Suspend（），函數執行成功則將內核掛起，直到出現USB遠程喚醒信號，調用TD_Resume（ ），喚醒內核。

2.3 GPIF波形圖

GPIF波形設計是CY7C68013A的最核心特點之一。根據測試系統的讀數時序要求，采用GPIF Designer工具設計時序波形，其時序信號具有很好的編程分辨率，并且導出生成 .c文件加載到單片機固件中。

圖2 固件程序框架流程圖Fig.2 Flow chart of firmware framework

下面根據并口擦除時序為例，利用GPIF Designer畫出相應的波形圖。如圖3所示。

圖3 并口擦除過程時序波形設計圖Fig.3 Waveform design of parallel erase process timing

S0～S3狀態ERE始終為高，ERET始終為低，外圍測試系統單片機接收到這兩個信號同時滿足的話則擦除開始，擦除過程中READY信號一直為低，擦除完畢后變高。這里S4也設置了判斷點檢測READY信號，如果為高就到IDLE狀態結束擦除，否則回到S3繼續執行前面的工作。

2.4 USB驅動程序設計

USB系統驅動程序由3部分組成：USB設備驅動程序、USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中，Windows操作系統已經提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序；而USB設備驅動程序由設備開發者編寫，通過向USB總線驅動程序發送包含URB（USB Request Block）的 IRP（I/O RequestPacket），以實現 USB 外設之間的信息交換。本系統的USB通用驅動程序采用Cypress公司提供的通用驅動ezusb.sys，固件下載驅動程序可以根據編譯好的固件在DDK的環境下編譯生成[5]。

主機加載USB驅動程序是要先通過讀取USB設備的VID和PID，然后才能正確識別并加載的。為了使設備驅動程序能夠正確加載運行，還必須為它配備一個安裝信息文件即.inf文件。Windows系統使用該.inf文件將USB外設的VID&PID（固件下載時由EEPROM或EZ-USB內核提供，重枚舉后由固件程序描述符表提供）與相應的驅動程序綁定到一起。這樣，系統在知道了USB外設的VID&PID后就可以通過存儲在.inf文件中的信息查找到正確的驅動程序并加載。

用戶應用程序通過I/O控制調用訪問USB設備驅動程序達到控制USB設備的目的，應用程序首先通過調用Win32函數CreateFile（）來取得訪問設備驅動程序的句柄，再利用Win32函數DeviceIoControl（）對設備進行I/O控制[6]。

2.5 應用程序的設計

系統的應用程序界面如圖4所示。

圖4 系統應用程序界面Fig.4 Interface of system application programming

客戶應用程是測試系統軟件的核心，由Visual Basic來編寫完成，其對USB設備的操作功能為：開啟或關閉USB設備、檢測USB設備、設置USB數據傳輸管道、設置數據端口的初始狀態、通過USB接口回傳數據、存儲、顯示并分析數據。因此，應用程序要調用動態鏈接庫DLL68013.d11中封裝的 API函數。首先要將 DLL68013.dll拷貝到系統盤的“C：Windows＼System”下面，然后在 Visual Basic的集成編程環境下的模塊Module1中聲明引用動態連接庫 DLL68013.dll中的API函數。

動態鏈接庫文件的使用，需要在應用程序的全局變量定義模塊中顯式調用.dll文件應用程序會在其所在目錄和系統目錄下查找.dll文件。在聲明過程中需要注意數據類型的匹配問題。

3 系統測試

系統連接外設進行測試記錄各階段波形，采用Bus Hound實時記錄總線狀態變化，查看VB讀數軟件中的數據文件，得到的數據正確。并用原并口進行相應測試記錄各階段波形，對比兩次波形發現基本吻合，從而驗證了數據傳輸的正確性。

4 結 論

利用CY7C68013A完成了采用GPIF模式的并口轉USB的數據傳輸模塊的硬件和軟件設計。多次實驗證明，此系統運行穩定，能夠滿足目前舊測試系統并口轉USB口的需求。另外，試驗中實際的傳輸速率120 Mb/s，大大提高了原測試系統的傳輸速率。

[1]周立功.USB2.0與OTG規范及開發指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]張念淮，江浩.USB總線接口開發指南[z].北京：國防工業出版社，2001.

[4]李英偉，王成儒，練秋生，等.USB2.0原理與工程開發[M].第2版.北京：國防工業出版社，2007.

[5]EZ-USB Fx2 technical reference manual version2.0[S].Cypress Semionductor Corp data book，2001.

[6]張弘.USB接口設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.