如何快速实现USB接口的设计？

　　引 言
　　USB（通用串行总线）是一种新的数据通信接口方式，它使得外围没备到计算机的连接更加高效、便利。USB接口不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点，而且能同时连接多达127个外部设备，可以有效地解决PC机外围接口不足的问题。目前USB这一接口形式在微电子控制系统的设计中得到了广泛应用。
　　在近期参与开发的数控系统中，应客户要求需要将USB接口引入到数控系统中。由于该USB数据通信接口设计仅是系统设计的一个很小的部分，如果仍采用传统的设计方法实现，那么将耗费较多的时间和精力，而且最终也未必能获得理想的效果。为了摆脱常规USB数据接口设计的难度，加快系统开发进程，我们引入了基于FT245BM的快速USB接口设计，使系统开发节奏加快，保证整套系统设计周期的缩短。
　　1 FT245BM芯片简介
　　FT245BM是FTDI（Future Technology Devices IntlLtd）公司的多种快速USB通信接口解决方案之一。它无需编写片内固件程序，上层PC机则使用FTDI公司提供的官方驱动程序。FT245BM芯片的主要功能是在内部硬件逻辑的作用下实现USB串行数据格式与并行数据格式的双向转换。PC机通过USB接口与FT245BM进行数据交换，FT245BM则通过并行方式与下位微控制器通信。FT25BM芯片引脚见图1。
　　
　　该芯片有如下特点：
　　单芯片实现USB与并行FIFO缓冲区的双向数据传输；FTDI公司提供VCP（虚拟串行口）和D2XX两种驱动程序，使用D2XX驱动程序能获得更好的数据传输性能，传输速率最大可达1 MB／s；通过简单的四线握手信号与MCU、CPLD、FPGA等逻辑器件接口；完整的片内USB协议解决方案，无需底层固件的编程；完全兼容USB1.1，USB2.0协议；）附加的EEPROM接口可定制USB接口设备。
　　2 USB接口的硬件设计
　　由USB设计规范可知，USB设备有总线供电和自供电两种方式。考虑到开发的数控系统并不属于移动应用，无需通过总线供电方式来供给芯片工作所需电源，因此采用自供电方式进行设计。采用自供电方式的基于FT245BM的USB接口电路原理如图2所示。
　　
　　FT245BM通过8位并行数据口D［0..7］和4位读写状态／控制口 RXF#、TXE#、RD#、WR实现与微控制器交换数据，而PC机与FT245BM问通过UISB总线传输数据。可选的外部EEPROM用于存储USB设备的特定信息，呵以通过EECS、EESK、EEDATA来完成数据写入和读出。由于设计采用自供电的方式，为防止USB主机或USB HUB（集线器）控制器在断电情况下USB接口设备将电流灌入USB总线（USB主机或USB HUB控制器将突然上电而可能导致损坏），在USBDP的上拉电路中加入检测USB总线电流的NPN型晶体管2N3904。当总线有电时，2N3904饱和导通，USBDP通过1.5 kΩ电阻上拉至RSTOUT#3.3 V，USB数据通信正常进行；当USB总线失电时，2N3904因基极无电流而截止，阻止电流由RSTOUT#进入USB总线，可有效防止USB主机的突然上电。
　　3 USB接口的软件设计
　　USB接口软件是配合接口硬件实现USB数据的高效快速传输，包括微控制器端和PC端两部分。
　　3.1 微控制器端软件的设计
　　微控制器通过FT245BM提供的数据和控制接口实现数据的交换。
　　读操作时序见图3。当RxF#为低，表示当前FIFO接收缓冲区内有数据，可以执行读操作读取接收缓冲区数据。在RD#电平由高变低，FIFO控制器将接收缓冲区中的数据输出到8位数据端口上，微控制器此时只需读取I／O口就可以将数据取到内部数据总线上来，再将RD#信号拉高完成1个字节数据的读取。当将FIFO接收缓冲区中的数据全部取出后，RXF#被拉高表示数据为空。在RXF#为高时，禁止从FIFO接收缓冲区读取数据。
　　
　　写操作时序见图4。当TXE#为低，表示当前FIFO发送缓冲区空，可以向发送缓冲区写人数据。在WR为高电平时，微控制器将8位数据D［0..7］送到并行I／O口上，在WR信号电平由高变低时数据被写入发送缓冲区中。当TXE#为高时，表示当前FIFO发送缓冲区已满或者正在写入上一个字节，此时禁止向发送缓冲区中写入任何数据。微控制器向FT245BM写人数据时应确保TXE#为低。
　　
　　3.2 PC机端软件的设计
　　USB设备插入PC机时操作系统会请求安装设备驱动程序，FTDI公司为基于FT245BM的USB接口设备提供了VCP、D2XX（动态链接库）两种驱动程序。选择不同的驱动程序，PC机端软件设计方法也不同。
　　3.2.1 基于VCP的PC机端软件设计
　　选择安装VCP驱动程序时，操作系统将基于FT245BM的USB接口设备虚拟成为串行通信口，对这一虚拟的串行口的操作就等同于对该USB接口设备的操作，因此在应用程序中可以利用串行通信控件来简化PC机端软件的设计。目前比较成熟的串行通信控件有MSCOMM、SPCOMM、PCCOMM等，本文采用Delphi和SPCOMM来完成基于VCP的PC端软件的设计。利用SPCOMM编写针对串行口操作的程序比较容易，它有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件，提供了对串口的各种操作。根据SPCOMM提供的属性、方法、事件可以完成对虚拟成串行口的FT245BM的读写，避开了对USB接口本身的操作。
　　基于VCP的软件设计介绍如下。首先设置好需要打开的VCP的各个属性，调用StartComm方法打开VCP，然后通过WriteCommData将数据写人到发送缓冲区，由计算机硬件实现物理层的数据发送。数据到达PC机将会触发控件的OnReceiveData事件，在该事件下接收数据并转存以供后续的处理。接收数据出错时将触发OnReceiveError事件，在该事件中可进行出错处理。数据传输完毕后调用StopComm关闭VCP，结束一次通信过程。
　　3.2.2 基于D2XX的PC机端软件设计
　　选择D2XX作为USB接口的设备驱动程序，应用程序通过FTD2XX.DLL、FTD2XX.SYS、Windows USBDriver Stack来实现对FT245BM。的读写。因此，在程序编写时只需调用FTD2XX.DLL中的函数，便可完成对USB接口设备的读写操作。
　　FTD2XX.DLL提供了丰富的接口函数来访问FT245BM，主要函数简介如下：
　　FT_ListDevice：获取当前PC机上连接的所有的FTDI USB接口设备的信息；
　　FT_Open，FT_OpenEx：打开FTDI USB接口；
　　FT_Read：从FTDI USB接口读取数据；
　　FT_Write：向FTDI USB接口写入数据；
　　FT_Close：关闭FTDI USB接口。
　　使用DLL（动态链接库）函数首先要在接口单元处重新声明程序中需要使用到的函数。FTD2XX中DLL函数声明示例如下：
　　
　　采用Delphi 7编写的数据发送示例程序PcData_To_U***Device如下：
　　
　　
　　4 结束语
　　通过上述的软硬件设计，可以快速实现USB接口的设计，满足数控系统所要求的高速数据传输任务。采用这种USB设计方案在实际应用中表现良好，达到了预期目的，为数控系统如期交货创造了条件。