一种基于CY7C68013的纳米粒度

USB 2.0特点

USB全称是Universal Serial Bus，中文简称通用串行总线，是应用在计算机上的一种新型的接口技术。USB 最早于 1994 年底由Intel、IBM、Compad、DEC、NEC、Microsoft、Northern Telecom等7家公司联合提出。其目的就是为了通过取代现有计算机接口，解决当前外部设备通信中存在的各种问题，同时通过简化计算机与外围设备的连接，从而更大程度上实现对计算机的扩展。

在USB产生之前，计算机接口技术已经有一定程度的发展，已经出现了一系列的通信接口，如RS 232、RS 485、ISA、PCI和并行接口等接口，这些老式的接口存在种类繁多、体积大、规范不统一、不支持热插拔等缺陷，使用不方便，不适合现今接口通信技术的发展需求。因此，越来越多的设备都开始使用USB接口来实现，如鼠标、USB键盘、MP3、数码相机、打印机、印刷机等。在实际设计工作当中，也越来越多地采用了USB技术，如数据采集、图像采集等。

USB接口芯片CY7C68013A

在实际电路中，我们使用的USB接口芯片是CY7C68013A，实现FPGA和PC机的通信。CY7C68013A是赛普拉斯公司的EZ-USB FX2LP系列芯片。这个系列的芯片是世界上第一个集成USB 2.0协议的微处理器，同时向下兼容USB 1.1。此兼容USB通信协议的处理器既可以作为普通处理器一样对设备进行控制，又可以实现与上位机的通信，这样设计的好处可以简化硬件电路，降低成本。该芯片包括1个增强型8051、串行引擎(SIE)、16KB的RAM、4KB的FIFO、多组标准I/O口、数据总线、地址总线、1个USB 2.0 收发器及1个通用可编程接口。

EZ-USB FX2LP枚举和重枚举

每个USB设备都有自己独有的VID与PID，不同的ID可用来区分不同的USB设备，这样能够避免不同USB产品造成混乱。USB芯片都有默认的VID、PID，但实际使用中我们需要定义自己的VID与PID，它们一般存储在外接的EEPROM中，这个步骤是USB产品开发所必须经历的阶段。

CY7C68013A芯片工作时程序与数据都是放在片内的RAM中的，当芯片上电后，固件程序与数据会自动下载到RAM中，当芯片掉电后，RAM 中的所有程序和数据都会消失。当芯片刚刚上电时，USB设备被按照缺省的设备进行配置，默认的固件代码被加载到芯片的RAM中，这个自动配置USB设备的过程被称为“枚举”。

对EZ-USB来说，枚举过程就是USB上电复位到加载固件前这段过程，此时USB设备地址号为默认的0号，枚举完成后，驱动为cypress...eeprom...missing。然后加载固件，进行重枚举，重枚举完成后，显示驱动为cypress...ez-usb...example或其他自定义设备。

固件系统框图

整个系统的硬件框图如图1所示。可以看出USB控制系统在整个系统中起到桥梁作用，用于连接上位机和外部设备。

图1 系统硬件框图

上位机发送控制指令给USB设备，信息处于下行状态，解码后用来控制外围设备执行相应功能。上位机需要从外设获得信息(如数据采集)，信息处于上行状态，由USB设备负责控制外设并将数据传送到上位机，由上位机分析、显示。

本设计采用FPGA同步控制和SlaveFIFO接口模式。图2为USB与FPGA模块的硬件设计框图。

图2 USB芯片与FPGA接口连接框图

USB芯片工作在Slave FIFO时，FPGA模块和USB模块直接接口，通过并行数据线和控制线实现数据交互。本设计采用27根信号线，分别是16根数据线 DATA[15:0],3根标志状态线FLAGA、FLAGB和FLAGC，还有7根控制线IFCLK、USB_FIFOADR[1:0]、USB_SLCS、USB_SLOE、USB_SLWR和USB_SLRD。FPGA 模块控制整个数据流。FPGA模块在向USB模块控制发送数据的时候，通过控制线FIFOADR[1:0]选择输出到USB模块内 FIFO的地址线。图3为FPGA模块同步向USB写数据时序图。

图3 FPGA模块同步向USB写数据时序图

驱动程序

对于USB设备，Windows操作系统要想对其实现操作，必须借助于驱动程序来实现。主机和驱动程序直接通信，交换数据，而驱动程序则和硬件资源进行通信，从而很好地控制USB设备。Cypress提供的开发环境中自带了相关的驱动程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用，缩短了系统的开发周期。其中CyLoad.sys用于主机向USB设备下载固件程序，CyUSB.sys实现主机和固件程序通信。为了在CyLoad.sys的帮助下实现固件的自动下载，固件程序CyLoad.HEX必须转换为适合自动下载的CyLoad.spt文件，并且与CyLoad.sys一起放在CyLoad文件夹下，拷贝到系统system32目录下。在安装文件CyUSB.inf中设置的PID，VID必须和描述符中的一致，才能够自动加载对应固件。

上位机界面设计

界面程序在VC++6.0环境下开发，该环境具有编程简单、快捷等的特点，便于开发可视化程序。Cypress公司为EZ_USB系列芯片提供了开发库CyAPI.lib，使用其中的控制函数类，可以在VC++6.0环境下开发界面程序。建立MFC工程后，在工程中加入CyAPI.lib，并且在主文件头部添加EZ-USB开发环境中提供的CyAPI.h头文件。利用库中的控制函数，如VendorID、ProductID等，可以获取USB设备的描述信息，同时也可以编写相关的控制功能程序。

USB主机程序可以使用Cypress提供的CyAPI.lib库来进行编程，CyAPI.lib对应Cypress提供的驱动程序CyUsb.sys，为其提供了简单而且功能强大的C++编程接口，通过CyAPI.lib库提供的函数，可以对USB设备进行读写操作，这些函数主要是Open、Close和XferData。

界面中的CheckoutEquipment分类框中为USB描述相关信息，由主机通过标准请求获得。上位机向FPGA发送命令后，通过接收按键，上位机可以接收到FPGA内部的数据，并在编辑框中显示出来。

图4 数据接收界面