USB讀數(shù)裝置及上位機(jī)的設(shè)計(jì)*

李文燕，郭 濤，徐香菊

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，山西太原030051)

數(shù)據(jù)采集在信息處理系統(tǒng)中占有不可替代的地位，它是以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)化以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集器一般包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理傳輸部分。前者包括信號(hào)的濾波、放大、采樣、保持、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等部分，后者包括數(shù)據(jù)讀取、傳輸及微機(jī)接口部分。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

本系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成:FLASH存儲(chǔ)器模塊、FPGA控制模塊、USB接口控制模塊及電源模塊。如圖1所示。

其工作原理是:FLASH模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，作為記錄器的數(shù)據(jù)源;FPGA模塊作為讀數(shù)裝置的控制器，讀取FLASH的數(shù)據(jù)并傳輸給USB控制接口模塊;USB控制芯片接收來(lái)自上位機(jī)的命令［1］，并與FPGA通信來(lái)執(zhí)行用戶需要的操作;電源模塊為各模塊提供穩(wěn)定電源。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電源管理模塊

本系統(tǒng)中芯片的工作電壓有5 V、3.3 V、2.5 V。由于計(jì)算機(jī)的USB接口可以提供5 V電源，最大為500 mA的電流，對(duì)于此系統(tǒng)已足夠，所以本系統(tǒng)的5 V電源直接由USB供電，并利用5 V電源經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器AMS1117調(diào)整出3.3 V 和2.5 V 電源。

1.3 FPGA 模塊

本設(shè)計(jì)的FPGA采用XILINX公司的Spartan-2系列的XC2S50，包括FPGA配置電路和FPGA時(shí)鐘電路及接口配置。

FPGA的配置方式靈活多樣，本設(shè)計(jì)根據(jù)芯片是否能夠自己主動(dòng)加載配置數(shù)據(jù)以及比特流的位寬，利用主串模式進(jìn)行配置FPGA，如圖2所示。在FPGA的輸出端口上為每個(gè)端口連接了一個(gè)電阻，起到耦合限流的作用，使外部接口與FPGA進(jìn)行匹配，防止電流過(guò)大等不良影響而燒壞芯片。

1.4 USB 接口模塊

一般USB的接口芯片種類大致可分為:主控制器、根集線器、接口芯片以及具有USB接口的微控制器。本設(shè)計(jì)利用的是EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A-128PIN芯片。

本設(shè)計(jì)采用0XC0的EEPROM啟動(dòng)方式。即在EEPROM中首字節(jié)寫入0XC0，并將VID、PID、DID和配置字節(jié)寫入EEPROM。芯片上電后，將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到片內(nèi)存儲(chǔ)器，并將其發(fā)送給主機(jī)，由主機(jī)根據(jù)ID數(shù)據(jù)選擇合適的固件程序下載到USB芯片內(nèi)。本設(shè)計(jì)使用具有I2C總線接口的串行EEPROM芯片AT24C64。AT24C64具有8192 x 8位容量，可重復(fù)擦除100萬(wàn)次。

1.5 FLASH存儲(chǔ)器模塊

FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)著記錄器的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)的目的就是從FLASH中讀取數(shù)據(jù)并傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。本設(shè)計(jì)采用SAMSUNG公司的K9F5608U0D NAND FLASH存儲(chǔ)器［2］。其特點(diǎn)如下:存儲(chǔ)單元陣列為(32M+1024k)bit×8bit;總共64k的塊，每塊含32頁(yè)，每頁(yè)為512+16字節(jié);以頁(yè)為單位編程(200μs典型編程時(shí)間)，以塊為單位擦除(2ms典型擦除時(shí)間);命令、地址、數(shù)據(jù)復(fù)用端口;提供硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

本設(shè)計(jì)的硬件連接電路如圖3所示。其中MAX1658為K9F5608U0D提供電源，排阻起到耦合限流作用。

圖2 FPGA配置電路

圖3 FLASH存儲(chǔ)器連接電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 FPGA各模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的FPGA程序采用Xilinx公司的ISE軟件。它提供給用戶一個(gè)從設(shè)計(jì)輸入到綜合、布線、仿真、下載的全套解決方案，并可以很方便的與其他EDA工具接口。

本設(shè)計(jì)中原理圖輸入采用其中的第三方軟件ECS，HDL綜合使用XST，測(cè)試臺(tái)輸入是圖形化的HDL Bencher，仿真使用Modelsim SE。簡(jiǎn)要的流程如下:

建立工程項(xiàng)目;綜合;仿真;定義輸入輸出管腳約束;布局布線;下載配置。

FLASH模塊程序設(shè)計(jì)中FLASH控制模塊對(duì)FLASH存儲(chǔ)器K9F5608U0D執(zhí)行各種操作。K9F5608U0D芯片提供了8種命令，即8種操作:①讀1操作;②讀2操作;③讀ID操作;④復(fù)位操作;⑤頁(yè)編程操作;⑥復(fù)制回讀操作;⑦塊擦除操作;⑧讀狀態(tài)操作。

2.2 CY7C68013［3］固件程序開發(fā)

USB功能設(shè)備的硬件功能主要由硬件上的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要為USB設(shè)備編寫固件程序。本設(shè)計(jì)的USB固件程序開發(fā)中，使用Keil Software公司推出的51系列兼容單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil μVision3。

圖4所示為68013A的固件程序流程圖，下面介紹如何編程。本設(shè)計(jì)采用固件框架中的Dscr.a51文件，修改設(shè)備描述符中的ID碼和字符串描述符，并修改相應(yīng)的端口配置，其余保持默認(rèn)狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送8字節(jié)的SETUPDAT數(shù)據(jù)包后［4］，68013A將其進(jìn)行解碼存入 SETUPDAT寄存器中。SETUPDAT［1］中存儲(chǔ)著USB發(fā)出的請(qǐng)求碼。在固件程序中使用switch-case語(yǔ)句對(duì)不同的請(qǐng)求碼進(jìn)行分析，分別進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。

圖4 固件程序流程圖

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求，在CY3684開發(fā)包內(nèi)已有完善的函數(shù)框架，本設(shè)計(jì)在保持其默認(rèn)狀態(tài)下，修改其中的處理函數(shù)，使其符合本設(shè)計(jì)的要求。在Fw.c文件中，最主要的兩個(gè)函數(shù)為Main( )函數(shù)和SetupCommand( )，其中Main( )函數(shù)控制整個(gè)68013A的程序流程，SetupCommand( )則對(duì)不同的設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行分析，并調(diào)用響應(yīng)的執(zhí)行程序。

SetupCommand( )程序框架如下:

Void SetupCommand(void)

{ void*dscr_ptr; //指針變量

Switch(SETUPDAT［1］) //根據(jù)請(qǐng)求包類型分別處理

{//協(xié)議及請(qǐng)求處理代碼

}

EP0CS|=bmHSNAK;

//握手

}

在本設(shè)計(jì)需要使用自定義請(qǐng)求來(lái)介紹上位機(jī)的FLASH操作命令，因此需要在USB固件程序中聲明自定義請(qǐng)求。自定義請(qǐng)求和標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求放在一起，但不能和已有的請(qǐng)求號(hào)相沖突。同時(shí)還需要編寫自定義請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。程序框架如下:

#define SC_SetData 0xa1 //自定義請(qǐng)求A1

此宏定義與標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求的宏定義放在一起。

Switch(SETUPDAT［1］) //根據(jù)請(qǐng)求包類型分別處理

{ case SC_SetData: //協(xié)議請(qǐng)求代碼

SC_SetData( ); //協(xié)議處理函數(shù)

}

此請(qǐng)求包處理放在SetupCommand(void)函數(shù)內(nèi)。

對(duì)于對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)則在Periph.c文件中進(jìn)行定義。所有的USB設(shè)備請(qǐng)求響應(yīng)函數(shù)，中斷函數(shù)都在此文件中定義。同時(shí)設(shè)備初始化函數(shù)TD_Init( )，用戶功能函數(shù)TD_Poll( )，掛起函數(shù)TD_Suspend( )和USB復(fù)位函數(shù)( )也都在此文件中定義。

本設(shè)計(jì)采用在上位機(jī)發(fā)送自定義請(qǐng)求A1，并在自定義請(qǐng)求中包含對(duì)FLASH操作的命令字，68013A在分析得到自定義請(qǐng)求A1后，在自定義請(qǐng)求A1中把命令字保存入一個(gè)全局變量［5］，在用戶功能函數(shù)TD_Poll( )中執(zhí)行對(duì)命令字的分析并調(diào)用相應(yīng)的FLASH操作函數(shù)。對(duì)于傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上的數(shù)據(jù)通過(guò)自定義請(qǐng)求A2、A3來(lái)執(zhí)行。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)USB總線技術(shù)、FPGA技術(shù)及面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，對(duì)電路的組成原理、接口電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制信號(hào)的設(shè)計(jì)及USB上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)做出詳細(xì)的說(shuō)明，設(shè)計(jì)出基本符合課題要求的USB讀數(shù)裝置及上位機(jī)程序，基本完成了工作要求。當(dāng)然本設(shè)計(jì)在USB接口的速度方面還需考慮更完善的方案。希望在以后的學(xué)習(xí)工作中能夠改進(jìn)。

［1］潘建兵.基于USB總線的數(shù)據(jù)采集器的研制［D］.重慶大學(xué)，2006.

［2］錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］Cypress Semiconductor Corporation.CY7C68013 EZ-USB FX2 USB Microcont-roller Highspeed USB Peripheral Controller［Z］.2001 .

［4］孫航.Xilinx可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］徐鈞.基于USB和FPGA技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京理工大學(xué)，2007.