一種基于CY7C68013的納米粒度

USB 2.0特點

USB全稱是Universal Serial Bus，中文簡稱通用串行總線，是應用在計算機上的一種新型的接口技術。USB 最早于 1994 年底由Intel、IBM、Compad、DEC、NEC、Microsoft、Northern Telecom等7家公司聯(lián)合提出。其目的就是為了通過取代現(xiàn)有計算機接口，解決當前外部設備通信中存在的各種問題，同時通過簡化計算機與外圍設備的連接，從而更大程度上實現(xiàn)對計算機的擴展。

在USB產(chǎn)生之前，計算機接口技術已經(jīng)有一定程度的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的通信接口，如RS 232、RS 485、ISA、PCI和并行接口等接口，這些老式的接口存在種類繁多、體積大、規(guī)范不統(tǒng)一、不支持熱插拔等缺陷，使用不方便，不適合現(xiàn)今接口通信技術的發(fā)展需求。因此，越來越多的設備都開始使用USB接口來實現(xiàn)，如鼠標、USB鍵盤、MP3、數(shù)碼相機、打印機、印刷機等。在實際設計工作當中，也越來越多地采用了USB技術，如數(shù)據(jù)采集、圖像采集等。

USB接口芯片CY7C68013A

在實際電路中，我們使用的USB接口芯片是CY7C68013A，實現(xiàn)FPGA和PC機的通信。CY7C68013A是賽普拉斯公司的EZ-USB FX2LP系列芯片。這個系列的芯片是世界上第一個集成USB 2.0協(xié)議的微處理器，同時向下兼容USB 1.1。此兼容USB通信協(xié)議的處理器既可以作為普通處理器一樣對設備進行控制，又可以實現(xiàn)與上位機的通信，這樣設計的好處可以簡化硬件電路，降低成本。該芯片包括1個增強型8051、串行引擎(SIE)、16KB的RAM、4KB的FIFO、多組標準I/O口、數(shù)據(jù)總線、地址總線、1個USB 2.0 收發(fā)器及1個通用可編程接口。

EZ-USB FX2LP枚舉和重枚舉

每個USB設備都有自己獨有的VID與PID，不同的ID可用來區(qū)分不同的USB設備，這樣能夠避免不同USB產(chǎn)品造成混亂。USB芯片都有默認的VID、PID，但實際使用中我們需要定義自己的VID與PID，它們一般存儲在外接的EEPROM中，這個步驟是USB產(chǎn)品開發(fā)所必須經(jīng)歷的階段。

CY7C68013A芯片工作時程序與數(shù)據(jù)都是放在片內的RAM中的，當芯片上電后，固件程序與數(shù)據(jù)會自動下載到RAM中，當芯片掉電后，RAM 中的所有程序和數(shù)據(jù)都會消失。當芯片剛剛上電時，USB設備被按照缺省的設備進行配置，默認的固件代碼被加載到芯片的RAM中，這個自動配置USB設備的過程被稱為“枚舉”。

對EZ-USB來說，枚舉過程就是USB上電復位到加載固件前這段過程，此時USB設備地址號為默認的0號，枚舉完成后，驅動為cypress...eeprom...missing。然后加載固件，進行重枚舉，重枚舉完成后，顯示驅動為cypress...ez-usb...example或其他自定義設備。

固件系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示?？梢钥闯鯱SB控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到橋梁作用，用于連接上位機和外部設備。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

上位機發(fā)送控制指令給USB設備，信息處于下行狀態(tài)，解碼后用來控制外圍設備執(zhí)行相應功能。上位機需要從外設獲得信息(如數(shù)據(jù)采集)，信息處于上行狀態(tài)，由USB設備負責控制外設并將數(shù)據(jù)傳送到上位機，由上位機分析、顯示。

本設計采用FPGA同步控制和SlaveFIFO接口模式。圖2為USB與FPGA模塊的硬件設計框圖。

圖2 USB芯片與FPGA接口連接框圖

USB芯片工作在Slave FIFO時，F(xiàn)PGA模塊和USB模塊直接接口，通過并行數(shù)據(jù)線和控制線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。本設計采用27根信號線，分別是16根數(shù)據(jù)線 DATA[15:0],3根標志狀態(tài)線FLAGA、FLAGB和FLAGC，還有7根控制線IFCLK、USB_FIFOADR[1:0]、USB_SLCS、USB_SLOE、USB_SLWR和USB_SLRD。FPGA 模塊控制整個數(shù)據(jù)流。FPGA模塊在向USB模塊控制發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，通過控制線FIFOADR[1:0]選擇輸出到USB模塊內 FIFO的地址線。圖3為FPGA模塊同步向USB寫數(shù)據(jù)時序圖。

圖3 FPGA模塊同步向USB寫數(shù)據(jù)時序圖

驅動程序

對于USB設備，Windows操作系統(tǒng)要想對其實現(xiàn)操作，必須借助于驅動程序來實現(xiàn)。主機和驅動程序直接通信，交換數(shù)據(jù)，而驅動程序則和硬件資源進行通信，從而很好地控制USB設備。Cypress提供的開發(fā)環(huán)境中自帶了相關的驅動程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。其中CyLoad.sys用于主機向USB設備下載固件程序，CyUSB.sys實現(xiàn)主機和固件程序通信。為了在CyLoad.sys的幫助下實現(xiàn)固件的自動下載，固件程序CyLoad.HEX必須轉換為適合自動下載的CyLoad.spt文件，并且與CyLoad.sys一起放在CyLoad文件夾下，拷貝到系統(tǒng)system32目錄下。在安裝文件CyUSB.inf中設置的PID，VID必須和描述符中的一致，才能夠自動加載對應固件。

上位機界面設計

界面程序在VC++6.0環(huán)境下開發(fā)，該環(huán)境具有編程簡單、快捷等的特點，便于開發(fā)可視化程序。Cypress公司為EZ_USB系列芯片提供了開發(fā)庫CyAPI.lib，使用其中的控制函數(shù)類，可以在VC++6.0環(huán)境下開發(fā)界面程序。建立MFC工程后，在工程中加入CyAPI.lib，并且在主文件頭部添加EZ-USB開發(fā)環(huán)境中提供的CyAPI.h頭文件。利用庫中的控制函數(shù)，如VendorID、ProductID等，可以獲取USB設備的描述信息，同時也可以編寫相關的控制功能程序。

USB主機程序可以使用Cypress提供的CyAPI.lib庫來進行編程，CyAPI.lib對應Cypress提供的驅動程序CyUsb.sys，為其提供了簡單而且功能強大的C++編程接口，通過CyAPI.lib庫提供的函數(shù)，可以對USB設備進行讀寫操作，這些函數(shù)主要是Open、Close和XferData。

界面中的CheckoutEquipment分類框中為USB描述相關信息，由主機通過標準請求獲得。上位機向FPGA發(fā)送命令后，通過接收按鍵，上位機可以接收到FPGA內部的數(shù)據(jù)，并在編輯框中顯示出來。

圖4 數(shù)據(jù)接收界面