基于EZ-USB的数据传输接口设计

　　０　引言

　　ＵＳＢ控制器采用通用连接技术以实现与外设的简单快速连接，具有连接灵活、使用方便、速度快、扩展能力强等优点，使得其一些高速、高精度的信号采集领域中，　具有极大的应用价值［１］。　ＥＺ－ＵＳＢ序列芯片ＡＮ２１３１Ｑ是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的内嵌微控制器的８０ｐｉｎ的ＵＳＢ接口控制芯片，它采用了一种基于内部ＲＡＭ的解决方案，允许客户随时不断地设置和升级，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制［２］。片内嵌有一个增强型８０５１微控制器，与标准的８０５１相比，其速度快３倍。本文将ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ２１３１Ｑ用于基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水声信号采集及混沌特性研究系统中，实现了数据的高速传输。

　　１　ＵＳＢ控制器与ＤＳＰ的连接

　　１．１　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的硬件连接

　　在ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９和ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ硬件连接中，采用ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔ　ｉｎ　ｆｉｒｓｔ　ｏｕｔ　ＳＲＡＭ）连接方法，除了能确保ＤＳＰ和主机间的数据传输速度只受ＵＳＢ协议限制外，还能使ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之间的最大数据交换速度超过ＵＳＢ总线的速度。

　　由于ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ内嵌有加强型的８０５１处理器，可使用两片ＦＩＦＯ（ＦＩＦＯ选用ＩＤＴ７２Ｖ０２，它具有１Ｋ×９位的内存）可以实现ＵＳＢ控制器和ＤＳＰ之间的双向通信。从ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ或者ＤＳＰ传输的数据首先保存在ＦＩＦＯ中，然后再由ＤＳＰ或者ＡＮ２１３１Ｑ读走，从而使得数据的传输不会出现堵塞情况，其硬件连接框图如图１所示。

　　图１　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的连接图

　　１．２　　　　　　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＩＤＴ７２Ｖ０２的连接

　　ＩＤＴ７２Ｖ０２状态信号有空（ＥＦ）、半满（ＨＦ）和满（ＦＦ），它们都在ＦＩＦＯ为低电平时有效。其与ＡＮ２１３１Ｑ的连接如图２所示。

　　图２　　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＩＤＴ７２Ｖ０２的连接图

　　１．３　　ＡＮ２１３１Ｑ和ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的软件连接

　　ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ和ＤＳＰ之间的软件部分包括４个部分，分别是ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３ｌＱ对ＦＩＦ０１的写、ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ对ＦＩＦ０２的读、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９对ＦＩＦ０１的读、ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９对ＦＩＦＯ２的写。为了描述的方便，将ＦＩＦ０１的３个状态信号分别称为　、　和　，对应ＦＩＦ０２的为　、　、　。

　　（１）ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ写ＦＩＦＯ１

　　当ＵＳＢ总线上有数据要传送至ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９时，　ＡＮ２１３１Ｑ查询　，若　无效，　ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１写入一个数据包（数据包要小于或等于ＦＩＦＯ１容量的一半），而且ＡＮ２１３１Ｑ一次向ＦＩＦＯ１写入每一个字节时不需再查询　。

　　（２）　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９读ＦＩＦＯ１

　　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９每次从ＦＩＦＯ１中读入一个数据包，每读一个字节前，ＤＳＰ需要查询　，只有当　无效（ＦＩＦＯ１不为空）时，ＤＳＰ才能进行读操作。

　　（３）　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９写ＦＩＦＯ２

　　当ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９有数据要传送至主机时，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９把数据打包，每次向ＦＩＦＯ２中写入一包数据，方法与ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ写ＦＩＦＯ１相同，惟一不同的是ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９查询的信号是　。写完一包数据后，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９通过操作控制字向ＵＳＢ控制ＡＮ２１３１Ｑ发一个中断信号，ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９在写下一包数据时必须等到ＡＮ２１３１Ｑ应答。ＡＮ２１３１Ｑ应答的方法是利用ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的外部中断ＩＮＴ１中断ＤＳＰ。

　　（４）ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ读ＦＩＦＯ２

　　ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ收到ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９发出的中断信号，应答ＤＳＰ后，从ＦＩＦＯ２中读入一包数据，不用再查询　。

　　２　ＵＳＢ接口软件设计

　　ＵＳＢ接口软件主要分为三部分：固件程序、驱动程序、主机应用程序。主机应用程序通过驱动程序与系统ＵＳＢＤＩ（　ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）进行通信，由系统产生ＵＳＢ数据的传送动作，固件程序则响应来自系统的ＵＳＢ标准请求，完成各种数据的交换的时间处理。

　　２．１　ＥＺ－ＵＳＢ固件程序开发

　　固件代码存储在ＡＮ２１３１Ｑ内部的８ＫＢＲ　ＡＭ中，它是用来初始化ＵＳＢ总线设备的。固件代码包括了设备的信息，它以描述符形式指定了制造商号、产品号和其他ＵＳＢ总线协议中所需要的信息，其主要功能是实现设备枚举过程［３］。

　　为了简化和加速用户对ＥＺ－ＵＳＢ芯片的开发过程，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了Ｋｅｉｌ　Ｃ５１　环境下编写固件程序的框架。该框架集成了开发ＵＳＢ总线设备所需的基本函数，用户可以在此基础上加入自己的代码实现特定的要求。固件程序框架如图３所示。

　　图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内部状态变量，然后调用用户初始化函数ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（），然后初始化ＵＳＢ总线设备接口为非配置状态，并同时打开中断。当完成上面的任务后，ＥＺ一ＵＳＢ　固件程序就开始重新枚举设备直到端点０收到ＳＥＴＵＰ包为止。一旦ＥＺ－ＵＳＢ收到ＳＥＴＵＰ包，固件程序就开始进行任务分配［４］。任务分配就是依次重复地执行下面的过程：

　　（１）　调用用户函数ＴＤ＿Ｐｏｌｌ（）。

　　（２）　检测是否有标准的设备请求，如果有，则执行指令并做出相应的操作。

　　（３）　检测ＵＳＢ核是否有ＵＳＢ挂起事件。如果有ＵＳＢ挂起事件，则调用用户程序ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）。当ＴＤ＿Ｓｕｓｐｅｎｄ（）返回为真时，ＵＳＢ核检测是否有重新开始事件。当检测到有重新开始的事件，ＵＳＢ调用用户程序ＴＤ＿Ｒｅｓｕｍｅ（），并继续执行步骤３．

　　固件代码在Ｋｅｉｌ　Ｖｉｓｉｏｎ２环境中编译后，最终生成ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件。用ＵＳＢ线把ＤＳＰ开发板接到ＰＣ机上，启动“ＥＺ－ＵＳＢ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐａｎｅｌ”，就可以把ｅｚｕｓｂ．ｈｅｘ文件下载到ＡＮＺ１３ｌＱ内部的８Ｋ　ＲＡＭ　中。

　　２．２　ＥＺ－ＵＳＢ驱动程序开发

　　驱动程序（ＵＳＢＤ）是ＵＳＢ总线系统中负责管理ＵＳＢ的工作．　ＵＳＢ总线客户软件包含了用来控制不同ＵＳＢ总线外设的功能程序，它通过一个Ｗｉｎｄｏｗｓ定义的软件接口与根集线器驱动程序进行通信；而ＵＳＢ总线根集线器驱动程序则通过包含在ＵＳＢＤ中的ＵＳＢＤＩ（ＵＳＢ驱动程序接口。）实现ＵＳＢＤ的通信；然后，ＵＳＢＤ　会选择两种主控制器之一同下方的主控制器进行通信；最后，主控制器驱动程序会通过ＰＣＩ枚举器软件直接实现对ＵＳＢ物理总线的访问。

　　ＵＳＢ总线设备驱动程序必须遵循Ｗｉｎ３２驱动程序模型（ＷＤＭ），其扩展名为．Ｓｙｓ。驱动程序主要实现的功能包括：设备初始化；即插即用设备的创建和删除；处理Ｗｉｎ３２打开和关闭文件句柄请求；类功能定义ＩＯ　ＣＴＬ（Ｉ／Ｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）、功能实现；ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ　Ｒｅｑｕｅｓｔ　Ｐａｃｋｅｔ）的调用处理；访问硬件。

　　为帮助设备和软件的开发者测试ＵＳＢ总线设备请求和数据传输的能力，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供了ＥＺ＿　ＵＳＢ通用驱动程序ＧＰＤ（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｕｒｐｏｓｅ　Ｄｒｉｖｅｒ）。ＧＰＤ是用来和基于ＥＺ＿　ＵＳＢ外设接口的通用设备驱动程序，提供公共ＵＳＢ总线设备请求和数据传输的用户态接口。使用ＧＰＤ作为起始点，可以创建用户特有的驱动程序。

　　（１）　建立ＥＺ＿ＵＳＢ　ＧＰＤ

　　建立ＧＤＰ需要微软的ＷＤＭ　ＤＤＫ和微软的Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０。ＥＺ－ＵＳＢ的ＧＰＤ　ｅｚｕｓｂ．ｓｙｓ是一个不用修改就可用的驱动程序，在自行开发外部设备的时，可以采用这个驱动程序作为ＵＳＢ驱动。

　　（２）　用户态和ＧＰＤ的接口

　　对于用户态的应用，可以使用ＶＣ＋＋编译工具ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）。所有的用户态通过Ｉ／Ｏ控制调用来访问ＥＺ＿ＵＳＢ　ＧＰＤ的。一个用户态程序首先通过调用一个Ｗｉｎ３２函数ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（　）来获得设备驱动程序的句柄。然后用Ｗｉｎ３２函数ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（）通过ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（　）函数返回的句柄，来提交Ｉ／Ｏ控制代码和相关的输入输出缓冲区到驱动程序。

　　２．３　ＰＣ机用户程序开发

　　后台ＰＣ机用户程序采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０　编写，主要功能是利用开发的ＵＳＢ驱动程序完成数据的发送和接收，并将数据保存为自己定义的格式。下面将详细介绍利用ＵＳＢ驱动程序中定义的控制通道和块传输通道进行数据接收和保存的过程，并给出部分关键代码。

　　（１）打开ＵＳＢ设备

　　ＢＯＯＬ　ｕｓｂＭａｒｋ；　∥当前选定的ＵＳＢ　设备是否打开标志。

　　ｕｓｂＭａｒｋ＝ＯｐｅｎＵＳＢ（）；∥ＯｐｅｎＵＳＢ函数的功能是调用设备对应的驱动程序，并获得设备的描述，其返回值为　ＢＯＯＬ型，可以依此判断设备是否正确工作。

　　（２）定义命令请求和数据结构。

　　ｃｈａｒ　ｂｕｆｆｅｒ［６４］；∥定义数据缓冲区；

　　ＵＬＯＮＧ　ｖｅｎｄｅｒｌｏｎｇ＝０；

　　ＲＥＱＵＥＳＴ＿ＤＡＴＡ　ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ；∥定义ＵＳＢ　数据传输的请求结构。

　　所有的　ＵＳＢ　设备是通过缺省控制通道对主机的请求发出响应，这些请求是由驱动程序控制传送而完成的，请求以及请求的参数通过包的形式发向设备，这里定义的ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ就是请求的数据包，

　　（３）填写数据传输的请求并发送数据传输请求。

　　ＵＳＢＳｅｎｄＲｅｑ（＆ｕｓｂＲｅｑｕｅｓｔ，＆ｂｕｆｆｅｒ［０］，ｖｅｎｄｅｒ－ｌｏｎｇ）；∥函数将请求交给ＵＳＢ　驱动程序，由驱动程序完成向ＵＳＢ设备的发送，ＵＳＢ设备接到请求后根据固件中的程序将数据发送回后台ＰＣ机。

　　（４）进行数据的接收，本文采用的是块传输模式。

　　ＢＵＬＫ＿ＤＡＴＡ　ｕｓｂＢｕｌｋｄａｔａ；∥定义块传输结构；

　　ｂｕｌｋＣｏｎｔｒｏｌ．ｐｉｐｅＮｕｍ＝１；∥选择传输管道；

　　ｂｕｆｆｅｒ＝＆ｒｅｃｅｉｖｅｄａｔ［０］；∥定义接收缓存区；

　　ＵＬＯＮＧ　ｌｅｎｇｔｈ＝６４；∥预接收的数据长度；

　　ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ（＆ｕｓｂＢｕｌｋｄａｔａ，ｂｕｆｆｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ）；

　　∥ＢｕｌｋｄａｔａＳｅｎｄ为数据接收函数，　函数调用后传回的数据保存在ｂｕｆｆｅｒ中。

　　经过上述步骤即可把数据从ＤＳＰ保存到后台ＰＣ机内存中。

　　３　结语

　　本文使用ＵＳＢ控制器ＡＮ２１３１Ｑ芯片实现了对高速信号的数据传输，　安装简单，　支持即插即用；　无需外接电源；并将其应用到基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０９的水声信号采集及混沌特性研究系统通信中，充分验证了此接口电路的可行性和具体设计的正确性。

　　本文作者创新点：　通用串行总线ＵＳＢ是近年来一种新兴的计算机外围设备串行通信接口，它具有传输可靠、易于扩展、低价并可热插拨等特性。本文将ＥＺ－ＵＳＢ　序列芯片ＡＮ２１３１Ｑ用于水声信号采集及混沌特性研究系统中，实现ＤＳＰ与ＰＣ机间的通信，并在ＡＮ２１３１Ｑ与ＤＳＰ间加入两片ＩＤＴ７２Ｖ０２，使得数据的传输不会出现堵塞情况，提高了传输的速度。