基于EZ?USB FX2的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB接口設計

摘 要： 以CYPRESS公司的EZ?USB FX2芯片為基礎，對工業(yè)CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設計所涉及的幾個方面進行了詳細的介紹。該設計中為了能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋珽Z?USB芯片采用Slave FIFO接口方式，在此方式下，USB內(nèi)核不參與數(shù)據(jù)的傳輸。CY7C68013A芯片內(nèi)部包含有4 KB的可配置端點緩沖區(qū)，這是大容量數(shù)據(jù)傳輸端點，可配置成不需要8051固件參與就同外圍電路完成高速數(shù)據(jù)傳輸端。CYPRESS公司提供的EZ?USB固件程序開發(fā)包中包含有固件程序的基本框架。在此介紹CY7C68013A芯片的結(jié)構(gòu)和特點，分析EZ?USB FX2固件程序框架，并給出固件程序?qū)嵗a，描述固件代碼裝載方式，應用程序調(diào)用驅(qū)動程序的接口函數(shù)。采用EZ?USB芯片開發(fā)USB接口，大大降低開發(fā)難度，提高開發(fā)效率。

關鍵詞： USB 2.0； EZ?USB； FX2； 固件程序

中圖分類號： TN919?34； TP334.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0073?04

0 引 言

在錐束工業(yè)CT系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來獲取探測器輸出信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號上傳給計算機做圖像重建，同時下傳計算機的控制命令，是工業(yè)CT的關鍵部件。通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）以其易插拔，無需配置，真正的即插即用等特性獲得了廣泛的認可，USB 2.0標準其高速傳輸模式的速率可達480 Mb/s，可以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速率要求。本文設計采用CYPRESS公司的EZ?USB FX2系列芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機間的USB接口芯片，具體型號為CY7C68013A[1?2]。數(shù)據(jù)采集卡整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文只介紹USB接口軟硬件設計部分。

USB接口設計主要涉及USB固件程序編寫，裝載，設備驅(qū)動程序的安裝，應用程序與驅(qū)動程序間的接口等方面。CYPRESS公司提供包含有固件程序框架，通用的設備驅(qū)動程序的應用開發(fā)包，降低了USB接口的開發(fā)難度。下面就USB接口開發(fā)所涉及的幾個方面進行詳細介紹。

1 EZ?USB硬件介紹

CY7C68013A接口芯片是CYPRESS公司EZ?USB FX2系列芯片中的一種類型，它集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，支持12 Mb/s的全速傳輸與480 Mb/s的高速傳輸，完全適用于USB2.0并向下兼容USB1.1。芯片內(nèi)部集成增強型8051內(nèi)核，指令周期為4個時鐘周期，時鐘頻率可配置為12 MHz，24 MHz，48 MHz。集成智能SIE（串行引擎接口），由USB 2.0收發(fā)器與SIE完成USB協(xié)議的封包與解包功能[1]。CY7C68013A芯片內(nèi)部包含3個固定的，64 B的端點緩沖區(qū)，分別是EP0，EP1IN，EP1OUT。EP0是默認的控制傳輸端點，EP1IN和EP1OUT支持塊傳輸，中斷傳輸與同步傳輸，此三端點只能由8051內(nèi)核訪問。還有4 KB的可配置端點緩沖區(qū)，分別是EP2，EP4，EP6，EP8，它們是大容量寬帶的數(shù)據(jù)傳輸端點，不需要8051固件參與就同外圍電路完成高速的數(shù)據(jù)傳輸[3]。這4個端點可以靈活的配置容量，滿足多種數(shù)據(jù)傳輸要求。

2 EZ?USB FX2 CY7C68013A固件程序設計

CY7C68013A固件程序是指在EZ?USB芯片內(nèi)部RAM中運行的程序代碼，固件程序是USB接口設計的核心部分。固件代碼的作用就是控制芯片執(zhí)行指定的設備功能，即處理上位機下傳的各種USB設備請求，控制芯片與外圍電路進行數(shù)據(jù)傳輸。EZ?USB芯片內(nèi)部集成增強型8051內(nèi)核，USB芯片的固件程序?qū)嶋H上就是單片機程序文件，可以采用匯編語言或C語言編寫。CYPRESS公司提供的EZ?USB FX2固件程序開發(fā)包中提供了固件程序的基本框架，這為用戶開發(fā)基于EZ?USB FX2芯片的USB設備提供了很大的方便。

2.1 固件框架

固件程序框架主要包括設備初始化，處理標準USB設備請求和USB掛起時的電源管理等。程序框架使用Keil C51編寫，它是現(xiàn)成的直接可以編譯為HEX文件的8051程序代碼，使用者只需要改寫USB描述表，在一些固定函數(shù)下添加功能代碼，主要是EZ?USB芯片的初始化配置和實現(xiàn)USB外設功能的代碼。固件框架的流程圖如圖2所示[4]。

復位后固件先初始化一些全局變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init（），該函數(shù)初始化USB設備到?jīng)]有配置的狀態(tài)，并打開中斷。循環(huán)1 s進行一次設備重枚舉，直到端點0收到一SETUP包，然后進入while循環(huán)語句，開始TD_Poll任務處理函數(shù)。

依次執(zhí)行下列過程：

（1） TD_Poll（） 用戶任務調(diào)度函數(shù)；

（2） 如果發(fā)現(xiàn)USB設備請求，則分析該請求并執(zhí)行；

（3） 如果收到USB掛起信號，則調(diào)用TD_Suspend（）掛起函數(shù)，內(nèi)核掛起，直到出現(xiàn)USB遠程喚醒信號，調(diào)用TD_Resume（），內(nèi)核喚醒，從新進入while循環(huán)。固件框架包含的文件如表1所示。

表1 固件框架文件列表

2.2 固件代碼編寫

USB固件程序主要的功能有2個：一是PC機的Windows系統(tǒng)能夠檢測與識別相應設備；二是數(shù)據(jù)的上傳與下傳。Cypress公司為EZ?USB FX2系列芯片提供的固件程序框架極大的簡化了固件開發(fā)。一般的固件開發(fā)只需要修改用戶調(diào)度函數(shù)文件Periph.c與USB描述符列表文件Dscr.a51，這兩個文件在Keil C51編程器中都可打開。Periph.c文件中只需要修改TD_Init（）與TD_Poll（）函數(shù)。在本設計中為了能進行高速的數(shù)據(jù)傳輸，EZ?USB芯片采用Slave FIFO接口方式。此方式下，USB內(nèi)核不參與數(shù)據(jù)的傳輸，所以TD_Poll（）函數(shù)不用寫代碼，設置成空函數(shù)就可以了。這樣USB固件程序的開發(fā)主要任務就是改寫TD_Init（）函數(shù)與USB描述符列表文件Dscr.a51。在本設計中配置端點6傳輸方向為IN，傳輸方式為塊傳輸，緩沖大小設置為1 024 B，深度為2級，作用是上傳采集的數(shù)據(jù)。配置端點2傳輸方向為OUT，傳輸方式為塊傳輸，緩沖大小設置為1 024 B，深度為2級，作用是下傳FPGA的命令配置參數(shù)。固件程序的編譯使用Keil μVision2集成編譯環(huán)境，集成編譯環(huán)境中包括有C51編譯器，A51匯編器等工具與調(diào)試器。代碼中還需包含頭文件FX2.h與Fx2regs.h，庫文件Ezusb.lib。對修改后的代碼進行編譯與鏈接，最后生成HEX文件。HEX文件可直接下載到EZ?USB中運行。HEX文件也可根據(jù)需要通過CYPRESS公司提供的EZ?USB FX2固件開發(fā)包中的Hex2bit.exe應用工具生成IIC文件，IIC文件用于燒寫到EEPROM中。

初始化函數(shù)代碼及注釋如下：

3 固件程序的裝載

CY7C68013A芯片集成增強型8051內(nèi)核，內(nèi)部無ROM等永久性存儲器，每次上電后需要從新將固件程序載入到片內(nèi)RAM中。EZ?USB FX2固件程序有3種加載方式：

（1） 如果沒有片外存儲器連接到EZ?USB FX2上，或者所讀取的首字節(jié)不是0xC0或0xC2，則芯片枚舉為缺省的USB設備，其中描述符，VID，PID由芯片內(nèi)部硬件邏輯提供。然后固件程序與描述符表由主機下載，EZ?USB FX2開始執(zhí)行下載的代碼，首先模擬物理電路的斷開與連接，此時EZ?USB FX2將再次進行設備枚舉，這稱為重枚舉，重枚舉將根據(jù)下載的代碼對設備進行從新定義。

（2） 如果USB檢測到一個E2PROM，其首字節(jié)為0xC0時，芯片也枚舉為缺省的USB設備，但VID與PID值將從此EEPROM中讀取，USB描述符由芯片內(nèi)部提供。這種模式稱為“C0”加載。主機根據(jù)讀得的VID與PID值，由固件下載驅(qū)動程序?qū)⒅付ǖ墓碳绦蛳螺d到EZ?USB FX2，然后再重枚舉。

（3） 如果USB檢測到一個E2PROM，其首字節(jié)為0xC2時，固件程序?qū)拇薊2PROM中自動下載到FX2芯片上，CPU通過復位后運行下載的程序代碼。這種模式稱為“C2”加載。

其中第一種方式主要是開發(fā)階段使用，它需要主機上有CYPRESS公司提供的開發(fā)軟件USB CONTROL PANEL，每次手動將程序下載到USB上。第二種方法需要開發(fā)者另外再編寫一個固件下載驅(qū)動程序，而且也需要在電路中外加一小容量的E2PROM。第3種方法是將固件程序燒寫到E2PROM中，每次上電自動加載，這種方式簡單直接。本設計采用第3種方式。

4 驅(qū)動程序及INF文件的編寫

設備驅(qū)動程序是應用程序和硬件之間的連接，應用程序通過驅(qū)動程序與設備通信，數(shù)據(jù)交換，從而獲取數(shù)據(jù)和對設備進行控制。CYPRESS公司為EZ?USB FX2提供一通用的驅(qū)動程序CYUSB.SYS，其功能完備，使用者不需要修改直接使用[5]。

USB設備都具有一個VID和PID，此處的VID和PID與在固件程序轉(zhuǎn)載階段的值不同，這兩個值是用來安裝設備驅(qū)動程序的，VID和PID放到設備描述符表中，通過設備請求讀入到Windows系統(tǒng)中。同時，Windows操作系統(tǒng)通過INF文件將一VID和PID綁定到某一設備驅(qū)動程序。當設備連接到主機上時，讀得設備的VID和PID，通過存儲在INF文件中的信息找到設備驅(qū)動。此后，Windows會將設備的VID和PID值保存到注冊表，設備再次連接時，系統(tǒng)就會在注冊表中查找設備驅(qū)動程序信息。具體操作方法是將驅(qū)動安裝的模板INF文件的MODEL節(jié)中的VID與PID值修改成與USB設備的VID和PID值相同。相應STRING節(jié)中也修改。

[Cypress]

%VID_04B5PID_1015.DeviceDesc%=CYUSB， USB＼VID_04B5PID_1015

5 與應用程序的接口

圖3是驅(qū)動程序流程圖，從圖中可以看到功能驅(qū)動程序的位置。用戶通過一種規(guī)范的方式調(diào)用WIN32API函數(shù)來訪問硬件，不用考慮如何控制硬件的具體細節(jié)。USB開發(fā)過程主要應知道應用程序調(diào)用驅(qū)動程序的接口函數(shù)，如下介紹，應用程序直接調(diào)用這些函數(shù)來實現(xiàn)與硬件設備的數(shù)據(jù)交換。CREATEFILE 通過設備名打開設備，獲得設備句柄，有設備句柄就可以讀寫設備。通過下面語句獲得設備句柄。

DEVICEIOCONTROL 讀寫控制設備，應用程序調(diào)用此函數(shù)并加以不同的I/O控制碼參數(shù)，完成應用程序與驅(qū)動程序?qū)⒌臄?shù)據(jù)交換。

主要用到的I/O控制碼有：IOCTL_EZUSB_BULK_

READ 該控制碼從指定的批量管道中讀取數(shù)據(jù)。讀操作阻塞調(diào)用進程，直到數(shù)據(jù)傳送完成。IOCTL_EZUSB_

BULK_WRITE 該控制碼向指定的批量管道中寫入數(shù)據(jù)。寫操作阻塞調(diào)用進程，直到數(shù)據(jù)傳送完成。CLOSEHANDLE 通過句柄關閉設備，設備請求完成后通過此函數(shù)關閉。

6 結(jié) 語

本文基于實際的USB接口應用開發(fā)，較詳細地介紹了EZ?USB FX2芯片的固件編寫，代碼下載方式，設備驅(qū)動程序安裝，上位機程序?qū)τ布目刂品椒ǎ⒔o出相應的代碼。采用EZ?USB FX2芯片開發(fā)USB接口在很大程度上降低了開發(fā)的難度，縮短開發(fā)周期，從而大大提高用戶的開發(fā)效率。

參考文獻

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[2] 茍新運，張禹，季仲梅.USB 2.0接口芯片CY7C68013的固件程序開發(fā)[J].微計算機信息，2005，21（4）：182?183.

[3] 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，2006.

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[5] 王輝，張小超，李良.基于EZ?USB FX2芯片的USB驅(qū)動程序設計[C]//中國農(nóng)業(yè)機械學會2006年學術年會論文集.北京：中國農(nóng)業(yè)學會，2006：1074?1076.

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