USB(通用串行總線)是一種新的數(shù)據(jù)通信接口方式，它使得外圍沒備到計(jì)算機(jī)的連接更加高效、便利。

USB接口不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點(diǎn)，而且能同時(shí)連接多達(dá)127個(gè)外部設(shè)備，可以有效地解決PC機(jī)外圍接口不足的問題。目前USB這一接口形式在微電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

在近期參與開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，應(yīng)客戶要求需要將USB接口引入到數(shù)控系統(tǒng)中。由于該USB數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)僅是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很小的部分，如果仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，那么將耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力，而且最終也未必能獲得理想的效果。為了擺脫常規(guī)USB數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)的難度，加快系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程，我們引入了基于FT245BM的快速USB接口設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)開發(fā)節(jié)奏加快，保證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期的縮短。

1 FT245BM芯片簡介

FT245BM是FTDI(Future Technology Devices IntlLtd)公司的多種快速USB通信接口解決方案之一。它無需編寫片內(nèi)固件程序，上層PC機(jī)則使用FTDI公司提供的官方驅(qū)動(dòng)程序。

FT245BM芯片的主要功能是在內(nèi)部硬件邏輯的作用下實(shí)現(xiàn)USB串行數(shù)據(jù)格式與并行數(shù)據(jù)格式的雙向轉(zhuǎn)換。PC機(jī)通過USB接口與FT245BM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)T245BM則通過并行方式與下位微控制器通信。FT25BM芯片引腳見圖1。

該芯片有如下特點(diǎn)：

單芯片實(shí)現(xiàn)USB與并行FIFO緩沖區(qū)的雙向數(shù)據(jù)傳輸；FTDI公司提供VCP(虛擬串行口)和D2XX兩種驅(qū)動(dòng)程序，使用D2XX驅(qū)動(dòng)程序能獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，傳輸速率最大可達(dá)1 MB／s；通過簡單的四線握手信號(hào)與MCU、CPLD、FPGA等邏輯器件接口；完整的片內(nèi)USB協(xié)議解決方案，無需底層固件的編程；完全兼容USB1.1，USB2.0協(xié)議；)附加的EEPROM接口可定制USB接口設(shè)備。

2 USB接口的硬件設(shè)計(jì)

由USB設(shè)計(jì)規(guī)范可知，USB設(shè)備有總線供電和自供電兩種方式?？紤]到開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)并不屬于移動(dòng)應(yīng)用，無需通過總線供電方式來供給芯片工作所需電源，因此采用自供電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用自供電方式的基于FT245BM的USB接口電路原理如圖2所示。

FT245BM通過8位并行數(shù)據(jù)口D[0..7]和4位讀寫狀態(tài)／控制口 RXF#、TXE#、RD#、WR實(shí)現(xiàn)與微控制器交換數(shù)據(jù)，而PC機(jī)與FT245BM問通過UISB總線傳輸數(shù)據(jù)?？蛇x的外部EEPROM用于存儲(chǔ)USB設(shè)備的特定信息，呵以通過EECS、EESK、EEDATA來完成數(shù)據(jù)寫入和讀出。由于設(shè)計(jì)采用自供電的方式，為防止USB主機(jī)或USB HUB(集線器)控制器在斷電情況下USB接口設(shè)備將電流灌入U(xiǎn)SB總線(USB主機(jī)或USB HUB控制器將突然上電而可能導(dǎo)致?lián)p壞)，在USBDP的上拉電路中加入檢測USB總線電流的NPN型晶體管2N3904。當(dāng)總線有電時(shí)，2N3904飽和導(dǎo)通，USBDP通過1.5 kΩ電阻上拉至RSTOUT#3.3 V，USB數(shù)據(jù)通信正常進(jìn)行；當(dāng)USB總線失電時(shí)，2N3904因基極無電流而截止，阻止電流由RSTOUT#進(jìn)入U(xiǎn)SB總線，可有效防止USB主機(jī)的突然上電。

3 USB接口的軟件設(shè)計(jì)

USB接口軟件是配合接口硬件實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的高效快速傳輸，包括微控制器端和PC端兩部分。

3.1 微控制器端軟件的設(shè)計(jì)

微控制器通過FT245BM提供的數(shù)據(jù)和控制接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

讀操作時(shí)序見圖3。當(dāng)RxF#為低，表示當(dāng)前FIFO接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行讀操作讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。在RD#電平由高變低，F(xiàn)IFO控制器將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)輸出到8位數(shù)據(jù)端口上，微控制器此時(shí)只需讀取I／O口就可以將數(shù)據(jù)取到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上來，再將RD#信號(hào)拉高完成1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)將FIFO接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部取出后，RXF#被拉高表示數(shù)據(jù)為空。在RXF#為高時(shí)，禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

寫操作時(shí)序見圖4。當(dāng)TXE#為低，表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空，可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫人數(shù)據(jù)。在WR為高電平時(shí)，微控制器將8位數(shù)據(jù)D[0..7]送到并行I／O口上，在WR信號(hào)電平由高變低時(shí)數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送緩沖區(qū)中。當(dāng)TXE#為高時(shí)，表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫入上一個(gè)字節(jié)，此時(shí)禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入任何數(shù)據(jù)。微控制器向FT245BM寫人數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確保TXE#為低。

3.2 PC機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)

USB設(shè)備插入PC機(jī)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，F(xiàn)TDI公司為基于FT245BM的USB接口設(shè)備提供了VCP、D2XX(動(dòng)態(tài)鏈接庫)兩種驅(qū)動(dòng)程序。選擇不同的驅(qū)動(dòng)程序，PC機(jī)端軟件設(shè)計(jì)方法也不同。

3.2.1 基于VCP的PC機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

選擇安裝VCP驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，操作系統(tǒng)將基于FT245BM的USB接口設(shè)備虛擬成為串行通信口，對(duì)這一虛擬的串行口的操作就等同于對(duì)該USB接口設(shè)備的操作，因此在應(yīng)用程序中可以利用串行通信控件來簡化PC機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)。目前比較成熟的串行通信控件有MSCOMM、SPCOMM、PCCOMM等，本文采用Delphi和SPCOMM來完成基于VCP的PC端軟件的設(shè)計(jì)。利用SPCOMM編寫針對(duì)串行口操作的程序比較容易，它有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對(duì)串口的各種操作。根據(jù)SPCOMM提供的屬性、方法、事件可以完成對(duì)虛擬成串行口的FT245BM的讀寫，避開了對(duì)USB接口本身的操作。

基于VCP的軟件設(shè)計(jì)介紹如下。首先設(shè)置好需要打開的VCP的各個(gè)屬性，調(diào)用StartComm方法打開VCP，然后通過WriteCommData將數(shù)據(jù)寫人到發(fā)送緩沖區(qū)，由計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)到達(dá)PC機(jī)將會(huì)觸發(fā)控件的OnReceiveData事件，在該事件下接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)存以供后續(xù)的處理。接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)將觸發(fā)OnReceiveError事件，在該事件中可進(jìn)行出錯(cuò)處理。數(shù)據(jù)傳輸完畢后調(diào)用StopComm關(guān)閉VCP，結(jié)束一次通信過程。

3.2.2 基于D2XX的PC機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

選擇D2XX作為USB接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序通過FTD2XX.DLL、FTD2XX.SYS、Windows USBDriver Stack來實(shí)現(xiàn)對(duì)FT245BM。的讀寫。因此，在程序編寫時(shí)只需調(diào)用FTD2XX.DLL中的函數(shù)，便可完成對(duì)USB接口設(shè)備的讀寫操作。

FTD2XX.DLL提供了豐富的接口函數(shù)來訪問FT245BM，主要函數(shù)簡介如下：

FT_ListDevice：獲取當(dāng)前PC機(jī)上連接的所有的FTDI USB接口設(shè)備的信息；

FT_Open，F(xiàn)T_OpenEx：打開FTDI USB接口；

FT_Read：從FTDI USB接口讀取數(shù)據(jù)；

FT_Write：向FTDI USB接口寫入數(shù)據(jù)；

FT_Close：關(guān)閉FTDI USB接口。

使用DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫)函數(shù)首先要在接口單元處重新聲明程序中需要使用到的函數(shù)。FTD2XX中DLL函數(shù)聲明示例如下：

采用Delphi 7編寫的數(shù)據(jù)發(fā)送示例程序PcData_To_UsbDevice如下：

4 結(jié)束語

通過上述的軟硬件設(shè)計(jì)，可以快速實(shí)現(xiàn)USB接口的設(shè)計(jì)，滿足數(shù)控系統(tǒng)所要求的高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。采用這種USB設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)良好，達(dá)到了預(yù)期目的，為數(shù)控系統(tǒng)如期交貨創(chuàng)造了條件。