摘要：由于具備傳輸速率高、體積小等特點，USB接口廣泛地應(yīng)用于計算機外部硬件設(shè)計。針對此介紹了Cypress公司的CY7C68013A芯片的基本原理，以及使用CY7C68013A芯片進(jìn)行USB鍵盤設(shè)計的方法。

　　USB接口具有傳輸速率高，體積小，可向外供電等特點，因此使得計算機與外部硬件設(shè)備之間的連接和使用都十分方便。目前，計算機的外圍設(shè)備中，例如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機都開始采用USB接口實現(xiàn)。本文中，將介紹Cypress公司的USB接口芯片--CY7C68013A,并介紹基于CY 7C68013A實現(xiàn)的USB鍵盤。

　　1 CY7C68013A芯片簡介

　　一個典型的USB應(yīng)用系統(tǒng)由USB設(shè)備、USB主機和USB電纜組成，USB主機一般指具有USB接口的計算機，連接到主機USB端口的外部設(shè)備一般稱為USB設(shè)備。

　　Cypress的EZ-USB FX2系列芯片是世界上款集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，EZ-USB FX2LP系列是其低功耗版本，使用比較多的是CY7 C68013A。

　　FX2LP芯片的內(nèi)部主要包括高性能微處理器內(nèi)核、USB2.0收發(fā)器、智能引擎（SIE）、增強8051內(nèi)核、16K的RAM,4K的FIFO、IO接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口等。EZ-USB FX2LP的CPU采用的是增強型8051內(nèi)核，指令集和標(biāo)準(zhǔn)的8051完全兼容，因此非常便于熟悉51單片機的用戶使用。

　　根據(jù)內(nèi)部資源和引腳數(shù)量的不同，CY7C68013A芯片一共提供了三種不同的封裝。本文以CYTC68013A-56pin為例進(jìn)行說明，該封裝提供了PA、PB、PD共3個8位并行I/O端口。

　　2 開發(fā)環(huán)境的搭建

　　USB接口設(shè)備的開發(fā)比較復(fù)雜，需要涉及USB固件程序、USB驅(qū)動程序、上位機程序開發(fā)和電路板設(shè)計等諸多方面。

　　2.1 固件開發(fā)環(huán)境

　　USB功能設(shè)備的硬件功能主要由硬件上的微處理器來實現(xiàn)，微處理器是由芯片上的固件程序控制的。由于FX2LP的CPU采取了8051內(nèi)核，因此，固件開發(fā)環(huán)境仍然可以使用51系列單片機的常用開發(fā)軟件--Keil μVision。

　　2.2 Cypress開發(fā)包

　　Cypress公司為EZ-USB芯片提供了一個開發(fā)包，CY3684 EZ-USB FX2LP Development Kit,里面包含了典型的固件代碼，用戶可以參考使用。另外，該開發(fā)包還提供了通用USB驅(qū)動程序、典型的硬件電路、上位機操作函數(shù)說明等。

　　2.3 上位機開發(fā)環(huán)境

　　USB功能設(shè)備需要連接到計算機上使用，因此需要上位機的程序開發(fā)，一般可以使用微軟的Visual Studio來實現(xiàn)。USB設(shè)備開發(fā)的上位機程序通過USB設(shè)備的驅(qū)動程序來和USB設(shè)備進(jìn)行通信。

　　驅(qū)動程序的開發(fā)可以使用微軟的DDK開發(fā)驅(qū)動程序，也可以使用Driver Studio軟件。針對Cypress公司的EZ-USB系列芯片，也可以直接使用Cypress的通用驅(qū)動程序，這是一種更加簡單的開發(fā)方式。

　　3 USB鍵盤的設(shè)計

　　3.1 電路設(shè)計

　　圖1是CY7C68013A-56pin的典型連接。電壓調(diào)整芯片將USB接口的5 V電壓轉(zhuǎn)換為芯片的工作電壓3.3 V;類似51系列單片機，時鐘振蕩電路接入晶振和兩個瓷片電容；SCL與SDL引腳接上拉電阻。

圖1 CY7C68013A端口的連接方式

　　鍵盤設(shè)計十分簡單，CYTC68013A-56pin有PA、PB、PD三組24個IO端口，利用這些IO端口，就可設(shè)計常用的矩陣鍵盤，如圖2所示，鍵的數(shù)目可達(dá)12*12個。和51單片機實現(xiàn)的鍵盤一樣，固件程序需要對行和列進(jìn)行掃描，采用輪詢或中斷的方式，對按下的鍵值進(jìn)行判斷。

　　另外，在制作電路板的時候，注意D+和D-的走線盡量的短而且相等，晶振盡量靠近芯片。

圖2 鍵盤與CYTC68013A的連接

　　3.2 USB芯片的固件程序設(shè)計

　　EZ-USB FX2LP芯片采用的是一種軟配置模式。也就是USB設(shè)備的各種驅(qū)動程序都保存在上位機，上電后，USB主機首先將程序到RAM中，然后從RAM開始執(zhí)行。在這個過程中，有兩次"枚舉":剛加電時，USB內(nèi)核中沒有固件，將被枚舉為一個默認(rèn)的USB設(shè)備；主機固件程序之后，在內(nèi)核中執(zhí)行固件程序，就會重新識別并枚舉這個USB設(shè)備，這個過程被稱為"重枚舉".在次枚舉時，根據(jù)芯片有沒有連接E2PROM,以及E2PROM中個字節(jié)的值，有不同的處理方式。當(dāng)沒有外接E2PROM時，將根據(jù)驅(qū)動程序中提供的VID,PID和DID,把主機上對應(yīng)的固件程序到片內(nèi)的RAM中，并執(zhí)行固件代碼。

　　USB固件程序是USB設(shè)備功能的，通過兩次枚舉，固件程序被到CY7C68013A的芯片里（程序也可以放在外接的EEPROM芯片里），用于配置芯片工作在需要的狀態(tài)下。

　　固件程序使用Keil μVision來編寫?？梢詤⒖糃ypress的例程。大體步驟是：

　　（1）初始化休眠模式、遠(yuǎn)程喚醒等。

　?。?）初始化用戶設(shè)備，主要是'TD_Init（）子程序。負(fù)責(zé)整個USB設(shè)備的初始化過程。

　?。?）定向描述符。

　?。?）把所用中斷打開，并開啟8051全局中斷EA=1.由于EZ-USB設(shè)備啟動需要重列舉，因而需要通過設(shè)置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來模擬設(shè)備物理上的斷開和連接過程。

　　（5）用戶外圍設(shè)備控制功能的實現(xiàn)放在TD_Poll（）子程序中，同時主循環(huán)中的SetupCommand（）子程序用于接收、分析上位機的控制信號，響應(yīng)上位機請求（標(biāo)準(zhǔn)請求和用戶自定義請求）。

　　3.3 USB通用驅(qū)動程序的使用

　　USB設(shè)備的使用需要驅(qū)動程序的支持，Cypress提供了通用的USB驅(qū)動程序。

　　該驅(qū)動包括兩部分：CyLoad.sys和CyUsb.sys,前者用于固件程序的，后者用于主機和固件程序的通信。這兩個驅(qū)動程序提供的引導(dǎo)文件分別是CyLoad.inf和CyUSB.inf,用戶可以直接使用，也可以根據(jù)需要進(jìn)行改動。

　　為了在CyLoad.sys的幫助下實現(xiàn)固件的自動，固件程序CyLoad.HEX必須轉(zhuǎn)換為適合自動的CyLoad.spt文件，并且與CyLoa d.sys一起放在CyLoad文件夾下，拷貝到系統(tǒng)system32目錄下。在安裝文件CyUSB.inf中設(shè)置的PID,VID必須和描述符中的一致，使得能夠自動加載對應(yīng)固件。

　　USB設(shè)備使用時，必須首先安裝驅(qū)動程序，注意分別安裝上面提到的驅(qū)動CyLoad.sys和通信驅(qū)動CyUsb.sys.安裝驅(qū)動之后，可以使用Cypress提供的主機控制函數(shù)庫CyAPI.lib開發(fā)主機程序，通過驅(qū)動程序和USB設(shè)備進(jìn)行通信。

　　3.4 USB主機的應(yīng)用程序設(shè)計

　　USB主機程序可以使用Cypress提供的CyAPI.lib庫來進(jìn)行編程。CyAPI.lib對應(yīng)Cypress提供的驅(qū)動程序CyUsb.sys,為其提供了簡單而且功能強大的C++編程接口，通過CyAPI.lib庫提供的函數(shù)，可以對USB設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，這些函數(shù)主要是Open,Close和XferData.

　　本文以VC++6.0為例，描述創(chuàng)建USB設(shè)備應(yīng)用程序的步驟。

　?。?）新建工程，并將CyAPI.h,CyAPI.lib,cyioctl.h三個文件加載到項目中。

　　CyAPI.h中定義了CCyUSBDevice、CCyControlEndPoint等幾個重要的類；而cyioctl.h中則定義了讀取USB設(shè)備的幾個重要的結(jié)構(gòu)和宏。

　　（2）在相應(yīng)的文件中（視、框架或者對話框，依具體情況），包含頭文件CyAPI.h和cyioefl.h.

　　然后定義USB設(shè)備全局變量和控制端點全局變量，并進(jìn)行初始化：

　　CCyUSBDevice*USBDevice=new CCyUSBDevice（）；

　　CCyControlEndPoint*ept=USBDevice->ControlEndPt;

　?。?）在程序執(zhí)行時，采用中斷方式，或者輪詢方式交換數(shù)據(jù)。以輪詢方式為例，則在幀循環(huán)中加入如下代碼：

　　首先判斷設(shè)備是否打開，然后指定操作碼，ept->XferData（）完成傳輸，實現(xiàn)從端口讀數(shù)據(jù)，或者向端口寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛴蒭pt->Direction來設(shè)置。

　?。?）結(jié)束程序時，關(guān)閉USBDevice.

　　USBDevice->Close;

　　4 結(jié)論

　　EZ-USB FX2芯片實現(xiàn)USB系統(tǒng)，軟硬件程序設(shè)計，相比較而言，簡單、方便。本文介紹了設(shè)計USB系統(tǒng)的大體步驟，給出了USB鍵盤設(shè)計的實例。

　　上述系統(tǒng)和程序經(jīng)過實際運行，工作穩(wěn)定、可靠。

參考文獻(xiàn):

[1]. CY7C68013A datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CY7C68013A_1124598.html.
[2]. EZ-USB datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EZ-USB_305660.html.