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

　　關鍵詞： 數據傳輸；USB2.0；高速接口；相互通信；驅動程序

0 引言

　　隨著多媒體技術的發(fā)展，對外設與主機之間的數據傳輸率有了更高的要求，且傳統(tǒng)的計算機與外設通過串行、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總線技術應運而生。目前，國內外主要采用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備系統(tǒng)中，外設與USB接口上仍存在不可忽視的瓶頸。

　　但是由Cypress公司生產的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）數據傳輸過程中不需要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)勢綜合利用在設計中并合理配置，使數據能夠快速下載并上傳到計算機上保存及顯示。

1 USB接口硬件電路設計

　　1.1 系統(tǒng)總體設計框圖

　　系統(tǒng)的總體設計由電源電平轉換電路、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的一個重要橋梁，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)送與數據的讀取。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電壓轉換成3.3 V的電平轉換模塊。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，但可進行簡單調試，通過廠商的請求可以完成。具體設計如圖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和復位電路，復位電路1 k/0.1 F的RC電路，系統(tǒng)能夠正常上電復位。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，也是復用引腳，可分別作為GPIF數據總線的低8位和高8位。CLKOUT引腳時鐘輸出可為12/24/48 MHz，作為其他外設的時鐘。端點2配置為寫設備地址，端點6配置為讀設備地址，每個端點都設置為4個緩沖區(qū)[4]。IFCLK為接口時鐘，作為同步時鐘數據的輸入輸出。

　　1.3 硬件部分工作過程

　　數據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)的數據傳輸模塊通過USB連接到計算機，按下復位鍵后上電復位，功能設備將被識別并枚舉[1]。在設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USB描述符配置信息上電復位完成重枚舉[5]。再轉移到片內8.5 KB的RAM存放數據和程序進行軟配置，配置特定端點緩沖區(qū)來進行數據的高速傳輸與讀取。其中采用GPIF可編程接口方式利用FX2的GPIF方式構建USB數據傳輸通道，由軟件編程輸出讀寫控制波形讀取FIFO標識，控制FIFO的選通，可對外部通用總線接口進行訪問。

2 USB接口軟件程序設計

　　2.1 固件程序設計

　　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，處理各種設備的請求，完善對芯片的配置，對主機與外部設備間的數據傳輸作出相應處理，達到主機與外設通信的目的。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)境中進行編譯，并可在固件庫里調用一些函數、常量或數據結構來修改自己的程序。

　　固件框架的源文件包括由Keil提供的8051頭文件，庫函數聲明以及變量、宏和數據類型定義，FX2寄存器頭文件，固件框架源文件，用戶可修改的鉤子函數，用戶可修改的USB描述符列表，EZ-USB庫文件和中斷跳轉目標文件[6]。在上電復位程序起始時，固件程序首先會自動初始化所有的內部變量，接著調用初始化函數TD_Init（），固件就會把USB接口設置為未配置狀態(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，固件構架就會啟動與PC主機合作的分配器，執(zhí)行任務調度。固件程序框架如圖3所示。

　　2.2 應用程序設計

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

3 測試結果

　　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。

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

4 結論

　　利用Cypress公司提供的USB2.0高速接口芯片CY7C68013A芯片，完成了硬件設計與軟件程序的設計，使之達到了單片機與上位機通信的效果。在以后各個領域上的數據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)工作的準確性與可靠性，數據穩(wěn)定性高，不易丟失，便于數據的傳輸和處理。再加上USB接口設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)良設計。

參考文獻

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　　[2] 張晶.基于USB2.0接口的數字圖像通信模塊設計[D].南京：南京理工大學，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高速接口設計[J].電子技術應用，2014，40（1）：131-133.

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

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

　　[7] 胡文靜，陳松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驅動程序設計[Z].岳陽：華東師范大學，2005.