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1、AN2131QC 芯片 USB 总线通信的开发摘要：以 EZ-USB AN2131QC 为基础，描述了 USB 总线的网络结构和数据传送方式，介绍了 AN2131QC 的硬件开发和块传输的软件设计，为以后的 USB 总线控制设备打下基础。关键词：USB 总线；USB 外设；端点；管道；令牌；固件程序DevelopmentofUSBPeripheralDesign with AN2131QCYAN Junhu（The 39th Institute，Electronic Technology Corporation of China，Xian，710065，China）Abstract：This
2、article describes USBnetwork and data transformation based on EZ-USBchip AN2131QC，introduces hardwaredesign and software design for bulk transmission，and lays the foundation ofdesigns for USBperipheralcontroldeviceKeywords：USB；USBperipheral；endpoint；pipline；token；firmware目前 USB 总线的芯片种类很多，主要有两种：一种是 C
3、PU 集成 USB 控制器，例如 EZ-USB AN2131，C8051F320 等；另一种是专用控制器，例如ISP1581，PDIUSB12，USB9602 等。两者的选择主要是取决于 USB 外围设备的功能。本文主要以 Cypress 公司的 AN2131QCL 来说明 USB 控制设备的开发。1USB 总线的网络配置在 USB 总线网络中，只能有一个主机，一个主机通过 USBHUB 最多可以扩展127 个 USB 外围设备。如果不通过 HUB，那么 USB 总线的传输距离最好不超过 5 m。图 1 是 USB 总线网络图。从数据的传输流程可以知道，两个计算机无法直接通过 USB 总线进行
4、通信。2AN2131QC 的主要特点AN2131QC 是基于 USB11 的外设通信控制芯片，主要特点：（1）四时钟周期的 8051 内核。（2）2 个快速存储器到存储器的数据传送指针。（3）扩展的中断，包含有多个 USFB 数据传输中断。（4）8 k 内部 RAM，用于存放程序和数据，支持外部存储器。（5）灵活的固件程序升级。（6）32 个输入输出管道，其中同步传输支持 1 024 B 长度数据传输。（7）多种固件程序引导方式，方便的固件程序升级办法。3AN2131QC 的数据传送方式USB 总线的数据传送是通过管道（PipLine）来完成的，主机发送 IN 令牌和 OUT 令牌，完成信息输
5、入或输出。不同于 CAN 总线的固定地址分配，所有USB 外围设备接入到总线时，地址由主机随机分配。基于 AN2131QC 的设备接入主机后，信息交换是通过 4 种方式实现的：（1）控制传输方式主要作用是建立主机和 USB 外设之间的联系管道和 USB 外设的状态反映，不能用于传输信息数据。AN2131QC 的端点 0 用于控制传输。（2）块传输方式主要用于传输长度不大于 64 个字节而且需要周期性传输的数据块，具有错误重发功能，可以动态地利用可获得的 USB 总路线带宽。（3）中断传输方式传输主式同块传输基本相同，但其主要用于发送或接收少量数据，而且并不经常进行传送的情况。AN2131QC
6、的端点 17 可以进行块传输和中断传输。（4）同步传输方式可以一次传输长度不超过 1 024 B 的数据块，主要用于传输大批量的实时数据，例如音频数据，不支持错误重发。4AN2131QC 的程序引导AN2131QC 内部没有 ROM，因此程序只能在上电复 位时从外部导入，主要为以下几个途径：（1）通过驱动程序，CYPRESS 公司提供了工具将编译的固件 HEX 文件嵌入到驱动程序内，USB 外围设备接入到总线后，主机自动将固件程序写入到 EZ-USB 内 RAM，完成枚举和重枚举。（2）通过外部 I2CE2PROM。将固件 HEX 文件通过“HEX2BIX-I-B2(TARGET).IIC(S
7、OURCE).HEX”命令转换成 IIC 文件，用编程器或者“控制面板程序”写入到I2C 器件。I 2 C 器件选用 24LC64A 或者 24AA64，将其 A0 管脚上拉到高电平，A1，A2 接地。（3）采用外部 FLASHIROM 和 RAM。固件程序如果大于 4 k，那么就要考虑用这种方式，注意 EA 上拉到高电平。5AN2131QC 的电路配置主机向外围 USB 设备提供的最大电流是 500 mA，因此当 USB 外围设备电流消耗超过 500 mA 时，需外接电源。AN2131QC 的工作电压是 33 V，可以通过LDO 芯片将 5 V 转换成 33 V。AN2131QC 芯片的电路
8、原理如图 2 所示，其中有几点要说明：（1）芯片的 5，6，13，14，72 脚通过一个 1 k 电阻接地，主要用于上电测试。（2）无论 I2C 总线是否外接有器件，SCL 和 SDA 管脚都应通过 22 k 的电阻上拉。（3）不能让 WAKEUP 管脚悬空。（4）将 USB和 USB通过 2 个 24 电阻接到 D和 D，可以抑制虚噪声信号和限制环流。 6AN2131QC 的固件程序开发从 CYPRESS 公司网站，可以下载到“控制面板程序”和驱动程序，也可以得到开发例程。通过开发例程，我们可以总结出开发自己固件程序的框架，从而可以轻松完成 USB 外围设备的开发。在建立固件程序框架后，根据
9、地址分配，在 KEILC51 编译器内设置编译连接地址，如果选用内部 RAM，CODE 地址设置为 0x100，XDATA 地址设置为0x1200。（1）在 DSCRA51 文件中设置外围设备配置信息和通信管道在此文件内包含有 USB 外设的定义信息和通信管道，其中需要自己修改的东西是设备描述和通信管道。StringDscr1 和 StringDscr2 用于描述 USB 外设的种类和功能。EpInDscr 用于定义 AN2131QC 的输出端点，包括端点号（作为输入的端点号字节的最高位为“1”）、传输方式、数据包最大长度等。EpOutDscr 用于定义 AN2131QC 的输入端点，格式与
10、EpInDscr 相同，但端点号字节的最高位为“0”。（2）通信管道的初始化在 DSCRA51 文件内定义了端点号后，需要在初始化定义里使能相应的通信端点，下面的例子为输入端点 2 和输出端点 2 的初始化例程：其中需要注意的是 USBPAIR 寄存器的初始化值，他用于设定相应端点的双输入输出缓冲区。在一些控制设备中需要实时获取 USB 外设的状态，但在使用双缓冲功能后，主机需要发送 3 个 IN 令牌，才能从外设取得最新的状态数据，因此在实时性要求比较高的情况下，应避免使用输入输出双缓冲功能。（3）数据收发USB 外设向主机发送信息和获取信息都是以一个数据包为单位，数据包的长度可以随机改变，但不能超过前面端点定义的最大数据包长度。以输入端点2 和输出端点 3 为例说明数据的收发过程。向主机发送数据：输入端点 2if（IN2CS0x02）！0x02）检查输出缓冲是否为空7结语在有些设备中，可能用 AN2131QC 作为 USB 通信，用其他功能强大的微处理器作数据处理，这样的配置有一个瓶颈就是 AN2131QC 与微处理器的输入输出数据交换问题，可以用双口 RAM 来解决，但这将使系统复杂，所以最好使用带有标准并行总线接口的 USB 控制器。在 USB 设备的开发过程中，驱动程序的开发也是同等重要。
