【正文】 它必須和硬件相互配合，才能完成 USB 所要求的傳輸?shù)热蝿?wù)。 FX2 固件典型架構(gòu) 編寫固件程序比較復(fù)雜，需要調(diào)用大量函數(shù)，但基本框架卻相對簡單，包括以下三個(gè)基本的過程 [22]： 1) 初始化：包括處理器和 EZUSB 寄存器的初始化。這個(gè)框架實(shí)現(xiàn)了與 USB 兼容的外圍設(shè)備所需的基本功能。 2) 如果發(fā)現(xiàn) USB 設(shè)備請求，則執(zhí)行 USB 請求操作。 （ 1） void TD_Init(void) 該函數(shù)對全局變量進(jìn)行了初始化，比 如設(shè)置 CPU（增強(qiáng)型 8051）的時(shí)鐘頻率，通過配置相應(yīng)的寄存器完成端點(diǎn)的方向、類型、緩沖區(qū)的大小和深度等配置。 // 設(shè)置 IFCLK 時(shí)鐘頻率為 48MHz EP1OUTCFG = 0xA0。 // 設(shè)置端點(diǎn) 2 有效， OUT，批量傳輸，雙重緩沖 SYNCDELAY。 // 設(shè)置端點(diǎn) 2 的字節(jié)計(jì)數(shù) SYNCDELAY。 // 使能遠(yuǎn)程喚醒功能 GpifInit ()； // 初始化 GPIF 寄存器 } （ 2） void TD_Poll(void) 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 31 在設(shè)備運(yùn)行過程中，通過設(shè)置一個(gè) while()循環(huán)，該函數(shù)被不停的重復(fù)調(diào)用。而函數(shù)。但是，如果有較高中斷優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生，就會(huì)在這個(gè)函數(shù)返回之前，先完成 中斷操作。 // 因?yàn)槭请p重緩沖，所以寫兩次 AUTOPTRSETUP |= 0x01。 // 設(shè)置端點(diǎn) 6 有效， IN，批量傳輸，雙重緩沖 SYNCDELAY。 // 設(shè)置端點(diǎn) 1IN 有效，批量傳輸 SYNCDELAY。 ～ bmCLKSPD) | bmCLKSPD1) 。 圖 FX2 固件的典型流程圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 30 固件中的函數(shù)都是通過主函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)一定的功能，有些函數(shù)只是返回一個(gè)值，做為判斷一個(gè)跳轉(zhuǎn)的條件。復(fù)位上電時(shí)，固件先初始化一些全局變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù) TD_Init()，將 USB 設(shè)備初始河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 化為非配置狀態(tài)，然后開中斷。 3) 中斷處理：包括處理各 種中斷的程序代碼。傳輸數(shù)據(jù)過程中，發(fā)送的數(shù)據(jù)以包的形式寫入器件的緩沖區(qū) ，當(dāng)緩沖區(qū)被寫滿或者數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后， USB 設(shè)置寄存器滿標(biāo)志。因此，編寫固件程序的一個(gè)最主要的目的就是讓W(xué)indows 可以檢測和識別設(shè)備。 USB控制器芯片借助 CPU 執(zhí)行固件程序來控制芯片的活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。與匯編相比， C語言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上都有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用。 固 件開發(fā)環(huán)境 本設(shè)計(jì)中 CY7C68013 的固件開發(fā)使用了兩種支持環(huán)境： Cypress 的開發(fā)包（ EZUSB Control Panel）和 Keil C。圖 311 為 EEPROM 硬件電路。 24LC64 可以一次寫入 32 字節(jié)，可以任意或連續(xù)的讀出 8K 字節(jié)數(shù)據(jù)。連接電路如圖 39 所示。它包含一個(gè) 35kHz 的振蕩器，推動(dòng)四個(gè)低電阻 MOSFET 開關(guān)，產(chǎn)生 26 Ω 的低輸出電阻以及 99%的電壓變換效率。 D1 為電源指示燈，上電后 D1 點(diǎn)亮。 圖 35 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 圖 36 MAX125 時(shí)鐘電路 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，需要三種大小不同的供電電源，除了 MAX125 需要的 5V 供電電源外，還有 CY7C68013 需要的＋ 的供電電源。本設(shè)計(jì)中 MAX125 采用的是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，所以將 REFIN 引腳通過 F 的電容接地、 REFOUT 引腳通過 F 電容接地。將 MAX125 的 INT 引腳與圖 34 USB 控制器電路 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 23 CY7C68013 的 RDY0 引腳相連，作為讀取數(shù)據(jù)的使能條件。 IMP811 是在低功耗微處理器、微控制器和數(shù)字系統(tǒng)中用來監(jiān)視 、 和 電源工作的低功耗監(jiān)控電路，具有 去抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入 [17][18]。 WAKEUP為喚醒引腳，在 8051 和芯片的其他部分為低功耗狀態(tài)時(shí)， USB 系統(tǒng)掛起； PLL 和晶振停止工作，當(dāng)外部 邏輯觸發(fā) WAKEUP，晶振重新工作之后， PLL 趨于穩(wěn)定；同時(shí)，8051 也會(huì)收到一個(gè)喚醒中斷。 DMINUS 和 DPLUS 為 USB 的 D＋、 D信號線， 分別和 USBB 型連接器的相應(yīng)引腳相接。 CY7C68013 用自己的片內(nèi)晶振電路和一個(gè)外部 24MHz 晶振組成系統(tǒng)的時(shí)鐘電路。 17V，而且某個(gè)通道的損壞不會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作。這兩步的過程稱為“重枚舉”。 以上的過程，就稱為“ FX2 的枚舉”。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 ③ 主機(jī)根據(jù)設(shè)備應(yīng)答 ID，安裝下載固件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 5) 增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 微控制器，并具有以下特點(diǎn)： 1）時(shí)鐘頻率高達(dá) 48MHz，很大程度地提高了其運(yùn)行速度。 GPIF 能以比 FIFO 數(shù)據(jù)速率還要快的速度運(yùn)行，這就為定時(shí)信號提供了很好的可編程解決方案，比如時(shí)序電路等。正因?yàn)槿绱耍?CPU 通常不參與到端點(diǎn) FIFO 和外部接口之間的高帶寬的數(shù)據(jù)通路上。對于典型的基于 FX2 的 USB 設(shè) 備， CY7C68013 的 CPU 具有雙重功能： 1) 它執(zhí)行高級的 USB 協(xié)議，該功能通過控制端點(diǎn)（端點(diǎn) 0）服務(wù)與主機(jī)請求實(shí)現(xiàn)。最終，SIE 傳輸來自或者將要到達(dá) USB 接口的數(shù)據(jù)。論文中選用的是 56pin SSOP 封裝的 CY7C68013，考慮到 FX2 系列芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，將詳細(xì)介紹 FX2 的特點(diǎn)。 3) 模擬信號類型：通常 AD 器件的模擬輸入信號都是電壓信號，而 DA 器件輸出的模擬信號有電壓 和電流兩種。選擇 A/D 轉(zhuǎn)換芯片要考慮一些參數(shù)指標(biāo)，如芯片精度、芯片的轉(zhuǎn)換速度和芯片的轉(zhuǎn)換量程等。內(nèi)含 USB 單元的微處理器的優(yōu)點(diǎn)是CPU 只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實(shí)現(xiàn) USB 口的數(shù)據(jù)傳輸；從而簡化了程序的設(shè) 計(jì)，開發(fā)難度減小，而且許多供應(yīng)商還提供許多范例電路和測試代碼，使設(shè)計(jì)者從復(fù)雜的協(xié)議解釋中得到解脫。這種類型的接口芯片常用的有 Philips公司的 PDIUSB111A 與 12 系列 [13]， National Semiconductor 公司推出 USBN9602/9603 以及NetChip 公司的 NET2888 與 NET2890 等等。 1） 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片 所謂 USB 接口芯片，即是僅包含 USB 的串行接口引擎（ SIE）、 FIFO 內(nèi)存、收發(fā)器以及電壓調(diào)節(jié)器等的芯片。數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的軟件部分主要由三部分組成： USB 固件程序、 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序；三部分程序之間相互協(xié)作來完成整個(gè)采集系統(tǒng)的功能。其工作流程如下：傳感器采集到的模擬信號經(jīng)過調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (MAX125)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； CY7C68013 負(fù)責(zé)把MAX125 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)讀取到其內(nèi)部 FIFO 緩沖區(qū)，由程序判斷 MAX125 的轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷信號來決定 MAX125 上的數(shù)據(jù)是否有效。這樣，在每七個(gè)位周期時(shí)間內(nèi)，就給了接收器邏輯一次數(shù)據(jù)跳變，從而保證了數(shù)據(jù)和時(shí)鐘鎖定。上面的圖的高電平表示數(shù)據(jù)線上的 1 狀態(tài)，下面的表示的是 NRZI 編碼。接收器放大傳來的差分?jǐn)?shù)據(jù)，并把 NRZI 數(shù)據(jù)發(fā)送到解碼器。 USB 總線信號環(huán)境 USB 串行數(shù)據(jù)是用 NRZI（ NonReturntoZero Inverted，不歸零翻轉(zhuǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼，編碼過程是在通過 USB 數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸之前進(jìn)行的。 四種傳輸方式的總結(jié) 圖 212 同步傳輸 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 控制傳輸在所有的 USB 設(shè)備中都需要使用，因?yàn)橹鳈C(jī)對 USB 設(shè)備的配置命令都需要通過控制傳輸來傳送，而設(shè)備的描述信息也需要通過控制傳輸傳遞給主機(jī)。 在每一個(gè) USB 幀中，為同步傳輸分配了一定 USB 帶寬。如果有中斷等待的事務(wù)，設(shè)備在數(shù)據(jù)包中返回中斷信息。 中斷傳輸事務(wù)可由 輸入或輸出構(gòu)成。 中斷傳輸 中斷傳輸主要用于定時(shí)查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸，是一種主機(jī)定時(shí)偵聽設(shè)備。 圖 28 批量傳輸 圖 29 控制傳輸?shù)?SETUP 事務(wù) 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 控制傳輸?shù)臓顟B(tài)階段是控制事務(wù)的最后一個(gè)事務(wù)，并且也遵循與塊事務(wù)同樣的協(xié)議序列，狀態(tài)階段是以相對前面的數(shù)據(jù)流方向而變化的，并且總是使用 DATA1 PID。而且如果有數(shù)據(jù)階段，則數(shù)據(jù)的數(shù)量和方向必須在緊接著的下一個(gè)階段指定。如圖 所示的控制建立（ SETUP）事務(wù)。如果接收的 數(shù)據(jù)包有 CRC 或者位填充錯(cuò)誤，那么將不返回任何握 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 手包。 當(dāng)主機(jī)準(zhǔn)備傳 輸批量數(shù)據(jù)時(shí)，它首先發(fā)送一個(gè) OUT 令牌包，之后再發(fā)送數(shù)據(jù)包（或者是 PING 特殊令牌包）。設(shè)備端點(diǎn)通過返回一個(gè)數(shù)據(jù)包，或者如果不能返回?cái)?shù)據(jù)，則返回 NAK 或者 STALL 握手包作為應(yīng)答。 USB 定義了 4 種傳輸類型，以滿足在總線上進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)的傳輸需要。一幀（或微幀）數(shù)據(jù)可包含幾種事務(wù)。 2. 客戶程序可能期望一個(gè)指定大小的數(shù)據(jù)總量。這個(gè)多數(shù)據(jù)有效載荷IRP 的數(shù)據(jù)有效載荷是要求的最大包的大小，而最后的一個(gè)數(shù)據(jù)有效載荷是所有IRP 的剩余部分?jǐn)?shù)據(jù)的大小。 客戶軟件程序通常通過 I/O 請求包（ IRP）向管道請求數(shù)據(jù)傳輸，完成之后客戶軟件等 待或者接收通報(bào)。 2. 消息 ：在管道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有某些 USB 定義的結(jié)構(gòu)，只能用于控制傳輸。除了默認(rèn)管道所需的端點(diǎn)之外，其它端點(diǎn)只有在配置為設(shè)備的正常部分后才可以使用。 所有的 USB 設(shè)備都要求實(shí)現(xiàn)用端點(diǎn) 0 作為輸入和輸出端點(diǎn)的默認(rèn)控制方式。每個(gè)端點(diǎn)都有由設(shè)備決定的數(shù)據(jù)流方向。主機(jī)上的軟件通過一組通信流與邏輯設(shè)備通信?？蛻糗浖髷?shù)據(jù)通過 USB 在主機(jī)上的緩沖區(qū)和 USB 設(shè)備上的端點(diǎn)之間移動(dòng)。 USB 邏輯設(shè)備對 USB 系統(tǒng)來說是一個(gè)端點(diǎn)的集合。 USB 總線接口層提供主機(jī)和設(shè)備之間的物理 /信號 /包的連通性。通信流利用總線訪問來完成主機(jī)和功能設(shè)備之間的通信 。一個(gè) USB 主控制其最多可連接 127 個(gè)外設(shè)（包括根集線器）。如圖 24 所示，說明了USB 的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [10]。 USB 數(shù)據(jù)流模型 [9] USB 的數(shù)據(jù)流模型主要描述了數(shù)據(jù)是如何通過 USB 進(jìn)行傳輸?shù)膯栴}，而且數(shù)據(jù) 流模型也是建立在 USB 數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)協(xié)議之上的。而且，集線器也可為連接在它上面的 USB 設(shè)備提供電源。 （ 1） 電源分配 每段 USB 都在電纜上提供了數(shù)量有限的電源。 USB 也是以此來判定連接的設(shè)備是高速還是低速的。 USB 總線會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在不同的傳輸模式中自動(dòng)地轉(zhuǎn)換。 目前計(jì)算機(jī)幾乎都支持 協(xié)議，如果支持 協(xié)議，那么系統(tǒng)的 USB 主機(jī)就必須包含 根集線器，用于給系統(tǒng)提供一個(gè)或多個(gè)設(shè)備端口；同時(shí)，系統(tǒng)還必須安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 2 USB 總線概述 目前， USB 設(shè)備的發(fā)展如日中天，國內(nèi)外已推出了幾百種 USB 設(shè)備，包括 USB 集線器、打印機(jī)、掃描儀器、存儲器、數(shù)碼相機(jī)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備等。不過，如果要使用高速傳輸，則必須使用與 兼容的主機(jī)軟件與主 機(jī)控制器，也就是說在主機(jī)的操作系 Windows20xx/XP中安裝 補(bǔ)丁程序，另外還要安裝支持 的主機(jī)控制器或者 PCI接口 。 1996 年， Compag， Intel 和Microsoft 三家廠商提出 Device Bay(設(shè)備插架 )概念，其目的是實(shí)現(xiàn)熱插撥和高 度的擴(kuò)充性。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 1 USB 的發(fā)展 USB（ Universal Serial Bus，通用串行總線）作為一種新的外設(shè)連接技術(shù)，最初是由 Compag， DEC， IBM， Intel， Microsoft， NEC 和 Northern Tele 等七大業(yè)內(nèi)巨頭共同開發(fā)的。 3. 數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串行總線 (如 RS232， RS485 等 )快， 標(biāo)準(zhǔn)的接口最快可以達(dá)到 12Mbps，可以滿足絕大多數(shù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。隨著通用串行總線 USB 的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問題。 PCI 總線雖然具有較高的傳輸速度（ 132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺點(diǎn)是插拔麻煩，而且由于 PC 機(jī)擴(kuò)展槽一般為 5～ 6 個(gè)，因此最多也只能有 5～ 6 個(gè) PCI 數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)用在一臺微機(jī)上；并且 PCI 插槽占用主板相當(dāng)大的空間，這也不利于微機(jī)系統(tǒng)的小型化。 Finally the app