摘  要： 介紹了一種利用USB通信協(xié)議的方法實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信傳輸。該方法以滿足符合標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0協(xié)議為基礎(chǔ)，以EZ-USB FX2為設(shè)計的基礎(chǔ)構(gòu)架，以Cypress公司推出最具性價比的一種內(nèi)嵌增強51單片機的芯片CY7C68013為核心，來構(gòu)建下位機與上位機的數(shù)據(jù)傳輸通道。給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案、固件驅(qū)動程序以及計算機端的應(yīng)用程序設(shè)計方法及流程。通過USB數(shù)據(jù)通信表明，USB2.0高速接口的帶寬能夠達(dá)到480 Mb/s的通信速率，能夠充分滿足普通接口數(shù)據(jù)傳輸所需速率，有效提高了傳輸效率，并且能將接收到的數(shù)據(jù)保存在計算機系統(tǒng)中，以備使用。因此，USB2.0通信接口的設(shè)計在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H運用中有值得探索的價值。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)傳輸；USB2.0；高速接口；相互通信；驅(qū)動程序

0 引言

　　隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，對外設(shè)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的要求，且傳統(tǒng)的計算機與外設(shè)通過串行、并行或PCI總線傳輸，要占用計算機系統(tǒng)資源，擴展性較差，而且傳輸速率和通信距離有限，已無法滿足計算機外設(shè)發(fā)展需求[1]，對于傳統(tǒng)的RS232串口通信來說也很難滿足與上位機之間所需要的10 Mb/s以上的通信速率，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運而生。目前，國內(nèi)外主要采用USB1.1和USB2.0這兩種規(guī)范，USB1.1主要用于低速傳輸要求的場合，支持1.5 Mb/s和12 Mb/s傳輸速率。而USB2.0規(guī)范則能提高到480 Mb/s[2]，盡管如此，在某些特定的傳輸速率與外圍設(shè)備系統(tǒng)中，外設(shè)與USB接口上仍存在不可忽視的瓶頸。

　　但是由Cypress公司生產(chǎn)的USB2.0控制器CY7C68013提供了一種獨特的接口方式，即通用可編程接口（GPIF）方式，不僅很容易滿足USB通信接口的傳輸要求，并且較傳統(tǒng)接口方式而言有如下兩大優(yōu)點[3]：（1）數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要CPU的干涉，使得傳輸速率明顯提高，從而充分利用USB2.0的傳輸寬帶；（2）由軟件設(shè)置讀寫控制，提高傳輸穩(wěn)定性。因此，本文把GPIF接口功能的優(yōu)勢綜合利用在設(shè)計中并合理配置，使數(shù)據(jù)能夠快速下載并上傳到計算機上保存及顯示。

1 USB接口硬件電路設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計由電源電平轉(zhuǎn)換電路、串行EEPROM電路、主芯片最小系統(tǒng)電路、引出口電路和PC-USB接口5部分組成，連接框圖如圖1所示。

　　該USB高速接口模塊是作為與上位機通信傳輸?shù)囊粋€重要橋梁，所以PC-USB接口必不可少，用USB線連接完成該電路與計算機的傳輸總線，采用CY7C68013芯片的GPIF接口模式來完成控制信號的發(fā)送與數(shù)據(jù)的讀取。因此，該模塊的電源也由USB總線提供。由于USB接口提供的是5 V/500 mA的電源，而由CY7C68013A芯片資料得知工作電壓為3.3 V，即需要將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V的電平轉(zhuǎn)換模塊。串行EEPROM采用24C64（8 KB）來存放PID/VID程序，引出口電路將芯片主要管腳引出，使得與其他外設(shè)連接提供方便。

　　1.2 主芯片最小系統(tǒng)

　　采用的CY7C68013A芯片，較100和128引腳封裝，其56引腳封裝的缺少部分管腳功能，雖然不能在線仿真，但可進(jìn)行簡單調(diào)試，通過廠商的請求可以完成。具體設(shè)計如圖2所示。

　　其最小系統(tǒng)中包含24 MHz晶振振蕩電路，晶振兩邊的電容大小范圍可取22 pF~30 pF和復(fù)位電路，復(fù)位電路1 k/0.1 F的RC電路，系統(tǒng)能夠正常上電復(fù)位。SCL是漏極開路輸出，SDA引腳是漏極遲滯輸入，在與EEPROM的SCL和SDA連接時，必須外接1.5 k~10 k的上拉電阻。PB0-PB7、PD0-PD7均為雙向I/O口引腳，也是復(fù)用引腳，可分別作為GPIF數(shù)據(jù)總線的低8位和高8位。CLKOUT引腳時鐘輸出可為12/24/48 MHz，作為其他外設(shè)的時鐘。端點2配置為寫設(shè)備地址，端點6配置為讀設(shè)備地址，每個端點都設(shè)置為4個緩沖區(qū)[4]。IFCLK為接口時鐘，作為同步時鐘數(shù)據(jù)的輸入輸出。

　　1.3 硬件部分工作過程

　　數(shù)據(jù)傳輸通信的主要控制芯片為CY7C68013，主要完成信號處理和單片機控制功能。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊通過USB連接到計算機，按下復(fù)位鍵后上電復(fù)位，功能設(shè)備將被識別并枚舉[1]。在設(shè)計中將程序下載到串行E2PROM中，主控芯片首先檢測FX2的啟動模式，若檢測到E2PROM存在且首字節(jié)是0xC2，則按C2加載。下載固件，根據(jù)USB描述符配置信息上電復(fù)位完成重枚舉[5]。再轉(zhuǎn)移到片內(nèi)8.5 KB的RAM存放數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行軟配置，配置特定端點緩沖區(qū)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸與讀取。其中采用GPIF可編程接口方式利用FX2的GPIF方式構(gòu)建USB數(shù)據(jù)傳輸通道，由軟件編程輸出讀寫控制波形讀取FIFO標(biāo)識，控制FIFO的選通，可對外部通用總線接口進(jìn)行訪問。

2 USB接口軟件程序設(shè)計

　　2.1 固件程序設(shè)計

　　固件程序是指用于控制硬件系統(tǒng)、完成芯片的初始化的代碼，存儲在USB接口芯片或微控器中，所以FX2要先下載固件再使用，處理各種設(shè)備的請求，完善對芯片的配置，對主機與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸作出相應(yīng)處理，達(dá)到主機與外設(shè)通信的目的。Cypress公司為了降低用戶對固件編程的難度，提供了一套配套的固件程序開發(fā)框架，可直接在Keil C51環(huán)境中進(jìn)行編譯，并可在固件庫里調(diào)用一些函數(shù)、常量或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來修改自己的程序。

　　固件框架的源文件包括由Keil提供的8051頭文件，庫函數(shù)聲明以及變量、宏和數(shù)據(jù)類型定義，F(xiàn)X2寄存器頭文件，固件框架源文件，用戶可修改的鉤子函數(shù)，用戶可修改的USB描述符列表，EZ-USB庫文件和中斷跳轉(zhuǎn)目標(biāo)文件[6]。在上電復(fù)位程序起始時，固件程序首先會自動初始化所有的內(nèi)部變量，接著調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init（），固件就會把USB接口設(shè)置為未配置狀態(tài)并開啟中斷使能，循環(huán)延時間隔1 s后開始設(shè)備重枚舉直到端點0接收到Setup包為止退出循環(huán)。只要檢測到了Setup包，固件構(gòu)架就會啟動與PC主機合作的分配器，執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。固件程序框架如圖3所示。

　　2.2 應(yīng)用程序設(shè)計

　　應(yīng)用程序編寫最主要的問題是實現(xiàn)上位機向外部設(shè)備發(fā)送指定命令數(shù)據(jù)包，設(shè)備能夠接收到上位機傳遞的指定數(shù)量的數(shù)據(jù)以及在通過執(zhí)行命令后能夠向其返送數(shù)據(jù)，達(dá)到上位機與設(shè)備能夠相互通信的效果。主機應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序來完成對設(shè)備的控制和通信，采用具有友好界面的VC++6.0軟件編寫測試系統(tǒng)的應(yīng)用程序，充分利用VC++的MFC框架的豐富資源，在與設(shè)備通信時首先通過Win32函數(shù)CreateFile（）來取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄[7]。得到句柄后向設(shè)備提交相應(yīng)的IOCTL控制碼，進(jìn)行讀寫和控制操作完成相應(yīng)操作后，通過Win32函數(shù)DeviceIoControl（）關(guān)閉設(shè)備結(jié)束一次數(shù)據(jù)傳輸操作。在用戶編寫的TD_Poll（）函數(shù)中，檢測到有命令數(shù)據(jù)包傳送，單片機將讀取EP2端點的數(shù)據(jù)，直到EP2端點的數(shù)據(jù)為空，獲得上位機發(fā)送來的命令數(shù)據(jù)包。根據(jù)命令字的定義來執(zhí)行相應(yīng)操作，并向命令EP6端點寫數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。

3 測試結(jié)果

　　在系統(tǒng)測試中，單片機與上位機的通信由用戶自己編譯的執(zhí)行軟件BulkLoop.exe來體現(xiàn)。

　　由軟件編程向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，由控制按鈕點擊實現(xiàn)特定指令發(fā)送，在沒有獲取設(shè)備信息時顯示的是運用軟件界面信息，如圖4（a）所示，單片機在接收到數(shù)據(jù)處理后接口電路中LED燈亮暗顯示，同時獲取設(shè)備信息。單片機通過模擬按鍵向上位機發(fā)送特定數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)，顯示的是設(shè)備信息，如圖4（b）所示。

4 結(jié)論

　　利用Cypress公司提供的USB2.0高速接口芯片CY7C68013A芯片，完成了硬件設(shè)計與軟件程序的設(shè)計，使之達(dá)到了單片機與上位機通信的效果。在以后各個領(lǐng)域上的數(shù)據(jù)傳輸通信存在著必不可少的使用價值。

　　芯片所具有的可編程特性大大提高了系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性與可靠性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，不易丟失，便于數(shù)據(jù)的傳輸和處理。再加上USB接口設(shè)備具有熱插拔和即插即用的特性，使模塊更具有較高的實用價值，是值得推廣的優(yōu)良設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉吉名，裴東興.基于CY7C68013的USB2_0數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計[J].電子測量實驗室，2008，31（3）：94-96.

　　[2] 張晶.基于USB2.0接口的數(shù)字圖像通信模塊設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

　　[3] 李英偉，王成儒，練秋生，等.USB2.0原理與工程開發(fā)（第二版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

　　[4] 趙林，孟令軍，于磊，等.基于CY7C68013A的USB2.0高速接口設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（1）：131-133.

　　[5] 陳玉輝，鐘洪聲，李廷軍.基于CY7C68013a的USB2.0接口設(shè)計[J].大眾科技，2010，134（10）：23-24.

　　[6] 趙志勇.USB2.0通信接口設(shè)計[J].兵工自動化，2005，24（3）：56-57.

　　[7] 胡文靜，陳松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驅(qū)動程序設(shè)計[Z].岳陽：華東師范大學(xué)，2005.