USB-GPIB控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

引 言
    USB是PC體系中一套全新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通用可編程接口GPIB(General Programmable Interface BUS)，是Cy-press公司在其EZ-USB FX以及FX2系列單片機(jī)里設(shè)計(jì)的一個(gè)可由用戶編程的接口，具有快速、靈活等特點(diǎn)；可使用多種協(xié)議完成與外圍器件的無(wú)縫連接，如EIDE／ATAPI、IEEE1284、Utopia等。對(duì)其可以根據(jù)需要進(jìn)行編程，且運(yùn)行中不需要CPU的干預(yù)，僅通過(guò)一些CPU標(biāo)志和中斷與增強(qiáng)型8051內(nèi)核通信。作為自動(dòng)化測(cè)試儀器的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)歷史悠久，使用廣泛，組建費(fèi)用低廉且操作方便，特別是連接臺(tái)式機(jī)的時(shí)候尤其顯得靈活高效。在很多對(duì)測(cè)試速度要求不高以及對(duì)測(cè)試儀器體積不作要求的情況下，GPIB總線也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。因此，將USB所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)引入到以GPIB為標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)基于USB總線的GPIB控制器，對(duì)提高便攜式和無(wú)外接插槽的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)整體性能有很大促進(jìn)作用。

1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    硬件電路的設(shè)計(jì)分為硬件和固件兩部分。硬件要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與USB芯片的通信以及USB與GPIB接口邏輯之間的通信；同樣，固件也要滿足USB接口和GPIB邏輯協(xié)議。設(shè)計(jì)思路就是USB接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并且提供給GPIB的信號(hào)線，最終建立兩者之間的通信，硬件總體框圖如圖1所示。

    USB主芯片選取了Cypress公司CY7C68013控制芯片，芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。CY7C68013集成了以下特性：USB2.0收發(fā)器、SIE(串行接口引擎)和增強(qiáng)型8051微處理器；8051程序從內(nèi)部RAM開(kāi)始運(yùn)行；4個(gè)可編程BULK／INTERRUPT／ISOCH-RONOUS端點(diǎn)；8位 16位外部數(shù)據(jù)接口；通用可編程接口(GPIF)；3.3V電源系統(tǒng)；矢量USB中斷；獨(dú)立的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供SETUP和DATA包控制傳輸；集成I2C控制器，頻率可達(dá)100或400 kHz；4個(gè)FIFO，可與ASIC和DSP等無(wú)縫連接；專門的FIF0和GPIF自動(dòng)矢量中斷。
    美國(guó)NI公司推出的TMS9914控制芯片是一款高性能CMOS的GPIB接口專用芯片，滿足IEEE488協(xié)議的要求；工作在TMS9914模式下，能夠?qū)PIB母線上的信號(hào)按照GPIB協(xié)議進(jìn)行解碼和譯碼轉(zhuǎn)換為用戶可用的格式，同時(shí)將用戶發(fā)過(guò)來(lái)控制GPIB的信號(hào)進(jìn)行處理，按照協(xié)議要求發(fā)送到GPIB母線上；內(nèi)部有16個(gè)寄存器，分成兩組，一組是只寫寄存器，有8個(gè)；另一組是只讀寄存器，有8個(gè)。TMS9914內(nèi)部各個(gè)寄存器的狀態(tài)決定或標(biāo)志著芯片及GPIB的工作狀態(tài)。在GPIB接口設(shè)計(jì)中，只有通過(guò)編程對(duì)寄存器進(jìn)行正確編排，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIB的各種操作。

2 硬件設(shè)計(jì)
2. 1供電方式
    設(shè)計(jì)中采用了USB總線供電方式。USB接口從PC機(jī)能獲取的電壓為5V，而USB控制芯片CY7C68013的工作電壓為3.3V，GPIB控制芯片TMS9914的工作電壓為5V，所以本設(shè)計(jì)中選用了Maxim公司的MAX882進(jìn)行電壓變換。從PC經(jīng)USB電纜到B端口來(lái)的5V電源，
經(jīng)去耦合和濾波電路后直接提供給系統(tǒng)中要求在5V正常工作的芯片，如TMS9914、75LS160、75LSl62等；而經(jīng)MAX882分壓后得到3.3V則提供給USB控制芯片CY7C68013以及LVC245。這樣就可保證整個(gè)控制器正常工作。電路中的SN7524，是專門為USB接口電路設(shè)計(jì)的，抑制USB數(shù)據(jù)線的瞬時(shí)電氣噪聲，如圖3所示。

2.2 外接EEPROM電路
    系統(tǒng)上電后，USB內(nèi)核首先檢查I2C總線上是否有EEPROM。如果有，并且其第一位數(shù)據(jù)是0xC2，則EZUSB FX2將EEPROM中的內(nèi)容全部拷貝到內(nèi)部RAM中，然后重列舉，并開(kāi)始執(zhí)行RAM中的固件程序。由于CY68013芯片已經(jīng)將I2C總線集成，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為對(duì)I2C總線上掛接的EEPROM的設(shè)計(jì)；由于采用的是24LC64的EEPROM，整個(gè)串行I2C總線電路實(shí)現(xiàn)的原理如圖4所示。

3 固件程序設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)針對(duì)的主芯片CY7C68013是以軟件為框架的IC。CY7C68013芯片的固件開(kāi)發(fā)所使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL μVision2，編程語(yǔ)言為德國(guó)Keil公司的C51。把編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各階段都集成在一個(gè)程序內(nèi)，先用編輯器編寫程序，接著調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯、連接后直接運(yùn)行，因此可以縮短開(kāi)發(fā)周期。
    固件程序負(fù)責(zé)處理PC機(jī)發(fā)來(lái)的各種請(qǐng)求，主要負(fù)責(zé)設(shè)備與外圍電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。完成一個(gè)完整的事務(wù)傳輸，除了開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil包括的文件，還需要Fw.c(固件架構(gòu)原是程序代碼)、Dscr．a(chǎn)51(USB描述符表)、Ezusb．lib(EZUSB函數(shù)庫(kù)對(duì)象程序代碼)、Periph．c(用戶函數(shù)，也就是設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)GPIB功能要編寫的函數(shù))以及相關(guān)的中斷跳轉(zhuǎn)函數(shù)USBjmpTB．OBJ。功能函數(shù)里的TD_Poll()負(fù)責(zé)完成用戶指定的功能，應(yīng)該包括一個(gè)執(zhí)行用戶外圍功能的狀態(tài)機(jī)。從這個(gè)函數(shù)返回的話，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)應(yīng)該首先執(zhí)行。
    void TD_Poll(void)
    if(!(EP2468STAT＆bmEP2EMPTY)){
    if(!(EP2468STAT＆bmEP6FULL))／／判斷端點(diǎn)2的FIFO緩沖區(qū)是否滿
    {APTRlH=MSB(＆EP2FIFOBUF)；／／自動(dòng)指針1
    APTRlL=LSB(＆EP2FIFOBUF)：
    AUTOPTRH2=MSB(&EP6FIFOBUF)；／／自動(dòng)指針2
    AUTOPTRL2=LSB(＆EP6FIFOBUF)；
    count=(EP2BCH<<8)+EP2BCL；
    for(i=0x0000；l<count；i++){
    EXTAUTODAT2=EXTAUTODAT1；／／將端點(diǎn)2中斷的數(shù)據(jù)復(fù)制到端點(diǎn)6
    }
    EP6BCH=EP2BCH；／／設(shè)置端點(diǎn)6的字節(jié)數(shù)
    SYNCDELAY；
    EP6BCL=EP2BCL，
    SYNCDELAY：
    EP2BCL=0x80；} ／／設(shè)置端點(diǎn)6的字節(jié)數(shù)
    }