基于EZ-USB的數據傳輸接口設計

　　０　引言

　　ＵＳＢ控制器采用通用連接技術以實現與外設的簡單快速連接，具有連接靈活、使用方便、速度快、擴展能力強等優點，使得其一些高速、高精度的信號采集領域中，　具有極大的應用價值［１］。　ＥＺ－ＵＳＢ序列芯片ＡＮ２１３１Ｑ是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的內嵌微控制器的８０ｐｉｎ的ＵＳＢ接口控制芯片，它采用了一種基于內部ＲＡＭ的解決方案，允許客戶隨時不斷地設置和升級，不受端口數、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制［２］。片內嵌有一個增強型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中，實現了數據的高速傳輸。

　　１　ＵＳＢ控制器與ＤＳＰ的連接

　　１．１　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的硬件連接

　　在ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９和ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ硬件連接中，采用ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔ　ｉｎ　ｆｉｒｓｔ　ｏｕｔ　ＳＲＡＭ）連接方法，除了能確保ＤＳＰ和主機間的數據傳輸速度只受ＵＳＢ協議限制外，還能使ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之間的最大數據交換速度超過ＵＳＢ總線的速度。

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

　　圖１　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的連接圖

　　１．２　　　　　　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＩＤＴ７２Ｖ０２的連接

　　ＩＤＴ７２Ｖ０２狀態信號有空（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　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＩＤＴ７２Ｖ０２的連接圖

　　１．３　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的軟件連接

　　ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ和ＤＳＰ之間的軟件部分包括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個狀態信號分別稱為　、　和　，對應ＦＩＦ０２的為　、　、　。

　　（１）ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ寫ＦＩＦＯ１

　　當ＵＳＢ總線上有數據要傳送至ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９時，　ＡＮ２１３１Ｑ查詢　，若　無效，　ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１寫入一個數據包（數據包要小于或等于ＦＩＦＯ１容量的一半），而且ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１寫入每一個字節時不需再查詢　。

　　（２）　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９讀ＦＩＦＯ１

　　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９每次從ＦＩＦＯ１中讀入一個數據包，每讀一個字節前，ＤＳＰ需要查詢　，只有當　無效（ＦＩＦＯ１不為空）時，ＤＳＰ才能進行讀操作。

　　（３）　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９寫ＦＩＦＯ２

　　當ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９有數據要傳送至主機時，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９把數據打包，每次向ＦＩＦＯ２中寫入一包數據，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　。寫完一包數據后，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９通過操作控制字向ＵＳＢ控制ＡＮ２１３１Ｑ發一個中斷信號，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９在寫下一包數據時必須等到ＡＮ２１３１Ｑ應答。ＡＮ２１３１Ｑ應答的方法是利用ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的外部中斷ＩＮＴ１中斷ＤＳＰ。

　　（４）ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ讀ＦＩＦＯ２

　　ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ收到ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９發出的中斷信號，應答ＤＳＰ后，從ＦＩＦＯ２中讀入一包數據，不用再查詢　。

　　２　ＵＳＢ接口軟件設計

　　ＵＳＢ接口軟件主要分為三部分：固件程序、驅動程序、主機應用程序。主機應用程序通過驅動程序與系統ＵＳＢＤＩ（　ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）進行通信，由系統產生ＵＳＢ數據的傳送動作，固件程序則響應來自系統的ＵＳＢ標準請求，完成各種數據的交換的時間處理。

　　２．１　ＥＺ－ＵＳＢ固件程序開發

　　固件代碼存儲在ＡＮ２１３１Ｑ內部的８ＫＢＲ　ＡＭ中，它是用來初始化ＵＳＢ總線設備的。固件代碼包括了設備的信息，它以描述符形式指定了制造商號、產品號和其他ＵＳＢ總線協議中所需要的信息，其主要功能是實現設備枚舉過程［３］。

　　為了簡化和加速用戶對ＥＺ－ＵＳＢ芯片的開發過程，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了Ｋｅｉｌ　Ｃ５１　環境下編寫固件程序的框架。該框架集成了開發ＵＳＢ總線設備所需的基本函數，用戶可以在此基礎上加入自己的代碼實現特定的要求。固件程序框架如圖３所示。

　　圖３　　ＥＺ一ＵＳＢ固件程序框架

　　ＥＺ一ＵＳＢ固件程序框架首先初始化所有的內部狀態變量，然后調用用戶初始化函數ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（），然后初始化ＵＳＢ總線設備接口為非配置狀態，并同時打開中斷。當完成上面的任務后，ＥＺ一ＵＳＢ　固件程序就開始重新枚舉設備直到端點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分配［４］。任務分配就是依次重復地執行下面的過程：

　　（１）　調用用戶函數ＴＤ＿Ｐｏｌｌ（）。

　　（２）　檢測是否有標準的設備請求，如果有，則執行指令并做出相應的操作。

　　（３）　檢測ＵＳＢ核是否有ＵＳＢ掛起事件。如果有ＵＳＢ掛起事件，則調用用戶程序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調用用戶程序ＴＤ＿Ｒｅｓｕｍｅ（），并繼續執行步驟３．

　　固件代碼在Ｋｅｉｌ　Ｖｉｓｉｏｎ２環境中編譯后，最終生成ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件。用ＵＳＢ線把ＤＳＰ開發板接到ＰＣ機上，啟動“ＥＺ－ＵＳＢ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐａｎｅｌ”，就可以把ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件下載到ＡＮＺ１３ｌＱ內部的８Ｋ　ＲＡＭ　中。

　　２．２　ＥＺ－ＵＳＢ驅動程序開發

　　驅動程序（ＵＳＢＤ）是ＵＳＢ總線系統中負責管理ＵＳＢ的工作．　ＵＳＢ總線客戶軟件包含了用來控制不同ＵＳＢ總線外設的功能程序，它通過一個Ｗｉｎｄｏｗｓ定義的軟件接口與根集線器驅動程序進行通信；而ＵＳＢ總線根集線器驅動程序則通過包含在ＵＳＢＤ中的ＵＳＢＤＩ（ＵＳＢ驅動程序接口。）實現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，主控制器驅動程序會通過ＰＣＩ枚舉器軟件直接實現對ＵＳＢ物理總線的訪問。

　　ＵＳＢ總線設備驅動程序必須遵循Ｗｉｎ３２驅動程序模型（ＷＤＭ），其擴展名為．Ｓｙｓ。驅動程序主要實現的功能包括：設備初始化；即插即用設備的創建和刪除；處理Ｗｉｎ３２打開和關閉文件句柄請求；類功能定義ＩＯ　ＣＴＬ（Ｉ／Ｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）、功能實現；ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ　Ｒｅｑｕｅｓｔ　Ｐａｃｋｅｔ）的調用處理；訪問硬件。

　　為幫助設備和軟件的開發者測試ＵＳＢ總線設備請求和數據傳輸的能力，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了ＥＺ＿　ＵＳＢ通用驅動程序ＧＰＤ（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｕｒｐｏｓｅ　Ｄｒｉｖｅｒ）。ＧＰＤ是用來和基于ＥＺ＿　ＵＳＢ外設接口的通用設備驅動程序，提供公共ＵＳＢ總線設備請求和數據傳輸的用戶態接口。使用ＧＰＤ作為起始點，可以創建用戶特有的驅動程序。

　　（１）　建立ＥＺ＿ＵＳＢ　ＧＰＤ

　　建立ＧＤＰ需要微軟的ＷＤＭ　ＤＤＫ和微軟的Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０。ＥＺ－ＵＳＢ的ＧＰＤ　ｅｚｕｓｂ．ｓｙｓ是一個不用修改就可用的驅動程序，在自行開發外部設備的時，可以采用這個驅動程序作為ＵＳＢ驅動。

　　（２）　用戶態和ＧＰＤ的接口

　　對于用戶態的應用，可以使用ＶＣ＋＋編譯工具ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）。所有的用戶態通過Ｉ／Ｏ控制調用來訪問ＥＺ＿ＵＳＢ　ＧＰＤ的。一個用戶態程序首先通過調用一個Ｗｉｎ３２函數ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（　）來獲得設備驅動程序的句柄。然后用Ｗｉｎ３２函數ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）通過ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（　）函數返回的句柄，來提交Ｉ／Ｏ控制代碼和相關的輸入輸出緩沖區到驅動程序。

　　２．３　ＰＣ機用戶程序開發

　　后臺ＰＣ機用戶程序采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０　編寫，主要功能是利用開發的ＵＳＢ驅動程序完成數據的發送和接收，并將數據保存為自己定義的格式。下面將詳細介紹利用ＵＳＢ驅動程序中定義的控制通道和塊傳輸通道進行數據接收和保存的過程，并給出部分關鍵代碼。

　　（１）打開ＵＳＢ設備

　　ＢＯＯＬ　ｕｓｂＭａｒｋ；　∥當前選定的ＵＳＢ　設備是否打開標志。

　　ｕｓｂＭａｒｋ＝ＯｐｅｎＵＳＢ（）；∥ＯｐｅｎＵＳＢ函數的功能是調用設備對應的驅動程序，并獲得設備的描述，其返回值為　ＢＯＯＬ型，可以依此判斷設備是否正確工作。

　　（２）定義命令請求和數據結構。

　　ｃｈａｒ　ｂｕｆｆｅｒ［６４］；∥定義數據緩沖區；

　　ＵＬＯＮＧ　ｖｅｎｄｅｒｌｏｎｇ＝０；

　　ＲＥＱＵＥＳＴ＿ＤＡＴＡ　ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ；∥定義ＵＳＢ　數據傳輸的請求結構。

　　所有的　ＵＳＢ　設備是通過缺省控制通道對主機的請求發出響應，這些請求是由驅動程序控制傳送而完成的，請求以及請求的參數通過包的形式發向設備，這里定義的ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ就是請求的數據包，

　　（３）填寫數據傳輸的請求并發送數據傳輸請求。

　　ＵＳＢＳｅｎｄＲｅｑ（＆ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ，＆ｂｕｆｆｅｒ［０］，ｖｅｎｄｅｒ－ｌｏｎｇ）；∥函數將請求交給ＵＳＢ　驅動程序，由驅動程序完成向ＵＳＢ設備的發送，ＵＳＢ設備接到請求后根據固件中的程序將數據發送回后臺ＰＣ機。

　　（４）進行數據的接收，本文采用的是塊傳輸模式。

　　ＢＵＬＫ＿ＤＡＴＡ　ｕｓｂＢｕｌｋｄａｔａ；∥定義塊傳輸結構；

　　ｂｕｌｋＣｏｎｔｒｏｌ．ｐｉｐｅＮｕｍ＝１；∥選擇傳輸管道；

　　ｂｕｆｆｅｒ＝＆ｒｅｃｅｉｖｅｄａｔ［０］；∥定義接收緩存區；

　　ＵＬＯＮＧ　ｌｅｎｇｔｈ＝６４；∥預接收的數據長度；

　　ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ（＆ｕｓｂＢｕｌｋｄａｔａ，ｂｕｆｆｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ）；

　　∥ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ為數據接收函數，　函數調用后傳回的數據保存在ｂｕｆｆｅｒ中。

　　經過上述步驟即可把數據從ＤＳＰ保存到后臺ＰＣ機內存中。

　　３　結語

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

　　本文作者創新點：　通用串行總線ＵＳＢ是近年來一種新興的計算機外圍設備串行通信接口，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中，實現ＤＳＰ與ＰＣ機間的通信，并在ＡＮ２１３１Ｑ與ＤＳＰ間加入兩片ＩＤＴ７２Ｖ０２，使得數據的傳輸不會出現堵塞情況，提高了傳輸的速度。