基于EZ-USB的數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計

　　０　引言

　?。眨樱驴刂破鞑捎猛ㄓ眠B接技術(shù)以實現(xiàn)與外設(shè)的簡單快速連接，具有連接靈活、使用方便、速度快、擴展能力強等優(yōu)點，使得其一些高速、高精度的信號采集領(lǐng)域中，　具有極大的應(yīng)用價值［１］?！。牛冢眨樱滦蛄行酒粒危玻保常保咽牵茫穑颍澹螅蠊镜膬?nèi)嵌微控制器的８０ｐｉｎ的ＵＳＢ接口控制芯片，它采用了一種基于內(nèi)部ＲＡＭ的解決方案，允許客戶隨時不斷地設(shè)置和升級，不受端口數(shù)、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制［２］。片內(nèi)嵌有一個增強型８０５１微控制器，與標準的８０５１相比，其速度快３倍。本文將ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ２１３１Ｑ用于基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水聲信號采集及混沌特性研究系統(tǒng)中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。

　?。薄。眨樱驴刂破髋cＤＳＰ的連接

　?。保薄　。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟挠布B接

　　在ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９和ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ硬件連接中，采用ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔ　ｉｎ?。妫椋颍螅簟。铮酰簟。樱遥粒停┻B接方法，除了能確保ＤＳＰ和主機間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受ＵＳＢ協(xié)議限制外，還能使ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之間的最大數(shù)據(jù)交換速度超過ＵＳＢ總線的速度。

　　由于ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ內(nèi)嵌有加強型的８０５１處理器，可使用兩片ＦＩＦＯ（ＦＩＦＯ選用ＩＤＴ７２Ｖ０２，它具有１Ｋ×９位的內(nèi)存）可以實現(xiàn)ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之間的雙向通信。從ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ或者ＤＳＰ傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先保存在ＦＩＦＯ中，然后再由ＤＳＰ或者ＡＮ２１３１Ｑ讀走，從而使得數(shù)據(jù)的傳輸不會出現(xiàn)堵塞情況，其硬件連接框圖如圖１所示。

　　圖１　　?。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟倪B接圖

　?。保病　　　　　　　。粒危玻保常保押停桑模裕罚玻郑埃驳倪B接

　?。桑模裕罚玻郑埃矤顟B(tài)信號有空（ＥＦ）、半滿（ＨＦ）和滿（ＦＦ），它們都在ＦＩＦＯ為低電平時有效。其與ＡＮ２１３１Ｑ的連接如圖２所示。

　　圖２　　?。粒危玻保常保押停桑模裕罚玻郑埃驳倪B接圖

　?。保场　。粒危玻保常保押停裕停樱常玻埃茫担矗埃沟能浖B接

　?。眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保押停模樱兄g的軟件部分包括４個部分，分別是ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３ｌＱ對ＦＩＦ０１的寫、ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ對ＦＩＦ０２的讀、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９對ＦＩＦ０１的讀、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９對ＦＩＦＯ２的寫。為了描述的方便，將ＦＩＦ０１的３個狀態(tài)信號分別稱為　、　和　，對應(yīng)ＦＩＦ０２的為　、　、　。

　?。ǎ保眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保褜懀疲桑疲希?/FONT>

　　當ＵＳＢ總線上有數(shù)據(jù)要傳送至ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９時，?。粒危玻保常保巡樵儭?，若　無效，?。粒危玻保常保岩淮蜗颍疲桑疲希睂懭胍粋€數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包要小于或等于ＦＩＦＯ１容量的一半），而且ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１寫入每一個字節(jié)時不需再查詢　。

　?。ǎ玻。裕停樱常玻埃茫担矗埃棺xＦＩＦＯ１

　?。裕停樱常玻埃茫担矗埃姑看螐模疲桑疲希敝凶x入一個數(shù)據(jù)包，每讀一個字節(jié)前，ＤＳＰ需要查詢　，只有當　無效（ＦＩＦＯ１不為空）時，ＤＳＰ才能進行讀操作。

　?。ǎ常。裕停樱常玻埃茫担矗埃箤懀疲桑疲希?/FONT>

　　當ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９有數(shù)據(jù)要傳送至主機時，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９把數(shù)據(jù)打包，每次向ＦＩＦＯ２中寫入一包數(shù)據(jù)，方法與ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ寫ＦＩＦＯ１相同，惟一不同的是ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９查詢的信號是　。寫完一包數(shù)據(jù)后，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９通過操作控制字向ＵＳＢ控制ＡＮ２１３１Ｑ發(fā)一個中斷信號，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９在寫下一包數(shù)據(jù)時必須等到ＡＮ２１３１Ｑ應(yīng)答。ＡＮ２１３１Ｑ應(yīng)答的方法是利用ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的外部中斷ＩＮＴ１中斷ＤＳＰ。

　?。ǎ矗眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保炎xＦＩＦＯ２

　?。眨樱驴刂破鳎粒危玻保常保咽盏剑裕停樱常玻埃茫担矗埃拱l(fā)出的中斷信號，應(yīng)答ＤＳＰ后，從ＦＩＦＯ２中讀入一包數(shù)據(jù)，不用再查詢　。

　?。病。眨樱陆涌谲浖O(shè)計

　?。眨樱陆涌谲浖饕譃槿糠郑汗碳绦?、驅(qū)動程序、主機應(yīng)用程序。主機應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序與系統(tǒng)ＵＳＢＤＩ（?。眨樱隆。模澹觯椋悖濉。桑睿簦澹颍妫幔悖澹┻M行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生ＵＳＢ數(shù)據(jù)的傳送動作，固件程序則響應(yīng)來自系統(tǒng)的ＵＳＢ標準請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換的時間處理。

　?。玻薄。牛冢眨樱鹿碳绦蜷_發(fā)

　　固件代碼存儲在ＡＮ２１３１Ｑ內(nèi)部的８ＫＢＲ?。粒椭?，它是用來初始化ＵＳＢ總線設(shè)備的。固件代碼包括了設(shè)備的信息，它以描述符形式指定了制造商號、產(chǎn)品號和其他ＵＳＢ總線協(xié)議中所需要的信息，其主要功能是實現(xiàn)設(shè)備枚舉過程［３］。

　　為了簡化和加速用戶對ＥＺ－ＵＳＢ芯片的開發(fā)過程，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了Ｋｅｉｌ?。茫担薄…h(huán)境下編寫固件程序的框架。該框架集成了開發(fā)ＵＳＢ總線設(shè)備所需的基本函數(shù)，用戶可以在此基礎(chǔ)上加入自己的代碼實現(xiàn)特定的要求。固件程序框架如圖３所示。

　　圖３　?。牛谝唬眨樱鹿碳绦蚩蚣?/FONT>

　?。牛谝唬眨樱鹿碳绦蚩蚣苁紫瘸跏蓟械膬?nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（），然后初始化ＵＳＢ總線設(shè)備接口為非配置狀態(tài)，并同時打開中斷。當完成上面的任務(wù)后，ＥＺ一ＵＳＢ　固件程序就開始重新枚舉設(shè)備直到端點０收到ＳＥＴＵＰ包為止。一旦ＥＺ－ＵＳＢ收到ＳＥＴＵＰ包，固件程序就開始進行任務(wù)分配［４］。任務(wù)分配就是依次重復地執(zhí)行下面的過程：

　?。ǎ保≌{(diào)用用戶函數(shù)ＴＤ＿Ｐｏｌｌ（）。

　?。ǎ玻z測是否有標準的設(shè)備請求，如果有，則執(zhí)行指令并做出相應(yīng)的操作。

　?。ǎ常z測ＵＳＢ核是否有ＵＳＢ掛起事件。如果有ＵＳＢ掛起事件，則調(diào)用用戶程序ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）。當ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）返回為真時，ＵＳＢ核檢測是否有重新開始事件。當檢測到有重新開始的事件，ＵＳＢ調(diào)用用戶程序ＴＤ＿Ｒｅｓｕｍｅ（），并繼續(xù)執(zhí)行步驟３．

　　固件代碼在Ｋｅｉｌ?。郑椋螅椋铮睿箔h(huán)境中編譯后，最終生成ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件。用ＵＳＢ線把ＤＳＰ開發(fā)板接到ＰＣ機上，啟動“ＥＺ－ＵＳＢ?。茫铮睿簦颍铮臁。校幔睿澹臁?，就可以把ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件下載到ＡＮＺ１３ｌＱ內(nèi)部的８Ｋ?。遥粒汀≈?。

　?。玻病。牛冢眨樱买?qū)動程序開發(fā)

　　驅(qū)動程序（ＵＳＢＤ）是ＵＳＢ總線系統(tǒng)中負責管理ＵＳＢ的工作．?。眨樱驴偩€客戶軟件包含了用來控制不同ＵＳＢ總線外設(shè)的功能程序，它通過一個Ｗｉｎｄｏｗｓ定義的軟件接口與根集線器驅(qū)動程序進行通信；而ＵＳＢ總線根集線器驅(qū)動程序則通過包含在ＵＳＢＤ中的ＵＳＢＤＩ（ＵＳＢ驅(qū)動程序接口。）實現(xiàn)ＵＳＢＤ的通信；然后，ＵＳＢＤ　會選擇兩種主控制器之一同下方的主控制器進行通信；最后，主控制器驅(qū)動程序會通過ＰＣＩ枚舉器軟件直接實現(xiàn)對ＵＳＢ物理總線的訪問。

　?。眨樱驴偩€設(shè)備驅(qū)動程序必須遵循Ｗｉｎ３２驅(qū)動程序模型（ＷＤＭ），其擴展名為．Ｓｙｓ。驅(qū)動程序主要實現(xiàn)的功能包括：設(shè)備初始化；即插即用設(shè)備的創(chuàng)建和刪除；處理Ｗｉｎ３２打開和關(guān)閉文件句柄請求；類功能定義ＩＯ?。茫裕蹋ǎ桑稀。茫铮睿簦颍铮欤?、功能實現(xiàn)；ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ?。遥澹瘢酰澹螅簟。校幔悖耄澹簦┑恼{(diào)用處理；訪問硬件。

　　為幫助設(shè)備和軟件的開發(fā)者測試ＵＳＢ總線設(shè)備請求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了ＥＺ＿?。眨樱峦ㄓ抿?qū)動程序ＧＰＤ（Ｇｅｎｅｒａｌ?。校酰颍穑铮螅濉。模颍椋觯澹颍＃牵校氖怯脕砗突冢牛冢摺。眨樱峦庠O(shè)接口的通用設(shè)備驅(qū)動程序，提供公共ＵＳＢ總線設(shè)備請求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魬B(tài)接口。使用ＧＰＤ作為起始點，可以創(chuàng)建用戶特有的驅(qū)動程序。

　?。ǎ保〗ⅲ牛冢撸眨樱隆。牵校?/FONT>

　　建立ＧＤＰ需要微軟的ＷＤＭ?。模模撕臀④浀模郑椋螅酰幔臁。茫叮?。ＥＺ－ＵＳＢ的ＧＰＤ?。澹酰螅猓螅笫且粋€不用修改就可用的驅(qū)動程序，在自行開發(fā)外部設(shè)備的時，可以采用這個驅(qū)動程序作為ＵＳＢ驅(qū)動。

　　（２）　用戶態(tài)和ＧＰＤ的接口

　　對于用戶態(tài)的應(yīng)用，可以使用ＶＣ＋＋編譯工具ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）。所有的用戶態(tài)通過Ｉ／Ｏ控制調(diào)用來訪問ＥＺ＿ＵＳＢ　ＧＰＤ的。一個用戶態(tài)程序首先通過調(diào)用一個Ｗｉｎ３２函數(shù)ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（?。﹣慝@得設(shè)備驅(qū)動程序的句柄。然后用Ｗｉｎ３２函數(shù)ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）通過ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（?。┖瘮?shù)返回的句柄，來提交Ｉ／Ｏ控制代碼和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)到驅(qū)動程序。

　?。玻场。校脵C用戶程序開發(fā)

　　后臺ＰＣ機用戶程序采用Ｖｉｓｕａｌ?。茫叮啊【帉?，主要功能是利用開發(fā)的ＵＳＢ驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并將數(shù)據(jù)保存為自己定義的格式。下面將詳細介紹利用ＵＳＢ驅(qū)動程序中定義的控制通道和塊傳輸通道進行數(shù)據(jù)接收和保存的過程，并給出部分關(guān)鍵代碼。

　?。ǎ保┐蜷_ＵＳＢ設(shè)備

　?。拢希希獭。酰螅猓停幔颍?；　∥當前選定的ＵＳＢ　設(shè)備是否打開標志。

　?。酰螅猓停幔颍耄剑希穑澹睿眨樱拢ǎ?；∥ＯｐｅｎＵＳＢ函數(shù)的功能是調(diào)用設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序，并獲得設(shè)備的描述，其返回值為?。拢希希绦?，可以依此判斷設(shè)備是否正確工作。

　?。ǎ玻┒x命令請求和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　?。悖瑁幔颉。猓酰妫妫澹颍郏叮矗?；∥定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

　?。眨蹋希危恰。觯澹睿洌澹颍欤铮睿纾剑?；

　?。遥牛眩眨牛樱裕撸模粒裕痢。酰螅猓遥澹瘢酰澹螅?；∥定義ＵＳＢ　數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱蠼Y(jié)構(gòu)。

　　所有的?。眨樱隆≡O(shè)備是通過缺省控制通道對主機的請求發(fā)出響應(yīng)，這些請求是由驅(qū)動程序控制傳送而完成的，請求以及請求的參數(shù)通過包的形式發(fā)向設(shè)備，這里定義的ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ就是請求的數(shù)據(jù)包，

　?。ǎ常┨顚憯?shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱蟛l(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求。

　?。眨樱拢樱澹睿洌遥澹瘢ǎΓ酰螅猓遥澹瘢酰澹螅?，＆ｂｕｆｆｅｒ［０］，ｖｅｎｄｅｒ－ｌｏｎｇ）；∥函數(shù)將請求交給ＵＳＢ　驅(qū)動程序，由驅(qū)動程序完成向ＵＳＢ設(shè)備的發(fā)送，ＵＳＢ設(shè)備接到請求后根據(jù)固件中的程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送回后臺ＰＣ機。

　?。ǎ矗┻M行數(shù)據(jù)的接收，本文采用的是塊傳輸模式。

　?。拢眨蹋耍撸模粒裕痢。酰螅猓拢酰欤耄洌幔簦?；∥定義塊傳輸結(jié)構(gòu)；

　?。猓酰欤耄茫铮睿簦颍铮欤穑椋穑澹危酰恚剑?；∥選擇傳輸管道；

　?。猓酰妫妫澹颍剑Γ颍澹悖澹椋觯澹洌幔簦郏埃?；∥定義接收緩存區(qū)；

　?。眨蹋希危恰。欤澹睿纾簦瑁剑叮?；∥預(yù)接收的數(shù)據(jù)長度；

　?。拢酰欤耄洌幔簦幔樱澹睿洌ǎΓ酰螅猓拢酰欤耄洌幔簦?，ｂｕｆｆｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ）；

　　∥ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ為數(shù)據(jù)接收函數(shù)，　函數(shù)調(diào)用后傳回的數(shù)據(jù)保存在ｂｕｆｆｅｒ中。

　　經(jīng)過上述步驟即可把數(shù)據(jù)從ＤＳＰ保存到后臺ＰＣ機內(nèi)存中。

　?。场〗Y(jié)語

　　本文使用ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ芯片實現(xiàn)了對高速信號的數(shù)據(jù)傳輸，　安裝簡單，　支持即插即用；　無需外接電源；并將其應(yīng)用到基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水聲信號采集及混沌特性研究系統(tǒng)通信中，充分驗證了此接口電路的可行性和具體設(shè)計的正確性。

　　本文作者創(chuàng)新點：　通用串行總線ＵＳＢ是近年來一種新興的計算機外圍設(shè)備串行通信接口，它具有傳輸可靠、易于擴展、低價并可熱插撥等特性。本文將ＥＺ－ＵＳＢ　序列芯片ＡＮ２１３１Ｑ用于水聲信號采集及混沌特性研究系統(tǒng)中，實現(xiàn)ＤＳＰ與ＰＣ機間的通信，并在ＡＮ２１３１Ｑ與ＤＳＰ間加入兩片ＩＤＴ７２Ｖ０２，使得數(shù)據(jù)的傳輸不會出現(xiàn)堵塞情況，提高了傳輸?shù)乃俣取?/FONT>