基于CY7C68013A芯片的USB键盘的设计

摘要：由于具备传输速率高、体积小等特点，USB接口广泛地应用于计算机外部硬件设计。针对此介绍了Cypress公司的CY7C68013A芯片的基本原理，以及使用CY7C68013A芯片进行USB键盘设计的方法。
关键词：USB：CY7C68013A；键盘

USB接口具有传输速率高，体积小，可向外供电等特点，因此使得计算机与外部硬件设备之间的连接和使用都十分方便。目前，计算机的外围设备中，例如鼠标、键盘、打印机都开始采用USB接口实现。本文中，将介绍Cypress公司的USB接口芯片——CY7C68013A，并介绍基于CY 7C68013A实现的USB键盘。

1 CY7C68013A芯片简介
一个典型的USB应用系统由USB设备、USB主机和USB电缆组成，USB主机一般指具有USB接口的计算机，连接到主机USB端口的外部设备一般称为USB设备。
Cypress的EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款集成了USB2．0协议的微处理器，EZ-USB FX2LP系列是其低功耗版本，使用比较多的是CY7 C68013A。
FX2LP芯片的内部主要包括高性能微处理器内核、USB2．0收发器、智能引擎(SIE)、增强8051内核、16K的RAM，4K的FIFO、IO接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口等。EZ-USB FX2LP的CPU采用的是增强型8051内核，指令集和标准的8051完全兼容，因此非常便于熟悉51单片机的用户使用。
根据内部资源和引脚数量的不同，CY7C68013A芯片一共提供了三种不同的封装。本文以CYTC68013A-56pin为例进行说明，该封装提供了PA、PB、PD共3个8位并行I／O端口。

2 开发环境的搭建
USB接口设备的开发比较复杂，需要涉及USB固件程序、USB驱动程序、上位机程序开发和电路板设计等诸多方面。
2．1 固件开发环境
USB功能设备的硬件功能主要由硬件上的微处理器来实现，微处理器是由芯片上的固件程序控制的。由于FX2LP的CPU采取了8051内核，因此，固件开发环境仍然可以使用51系列单片机的常用开发软件——Keil μVision。
2．2 Cypress开发包
Cypress公司为EZ-USB芯片提供了一个开发包，CY3684 EZ-USB FX2LP Development Kit，里面包含了典型的固件代码，用户可以参考使用。另外，该开发包还提供了通用USB驱动程序、典型的硬件电路、上位机操作函数说明等。
2．3 上位机开发环境
USB功能设备需要连接到计算机上使用，因此需要上位机的程序开发，一般可以使用微软的Visual Studio来实现。USB设备开发的上位机程序通过USB设备的驱动程序来和USB设备进行通信。
驱动程序的开发可以使用微软的DDK开发驱动程序，也可以使用Driver Studio软件。针对Cypress公司的EZ-USB系列芯片，也可以直接使用Cypress的通用驱动程序，这是一种更加简单的开发方式。

3 USB键盘的设计
3．1 电路设计
图1是CY7C68013A-56pin的典型连接。电压调整芯片将USB接口的5 V电压转换为芯片的工作电压3．3 V；类似51系列单片机，时钟振荡电路接入晶振和两个瓷片电容；SCL与SDL引脚接上拉电阻。

键盘设计十分简单，CYTC68013A-56pin有PA、PB、PD三组24个IO端口，利用这些IO端口，就可设计常用的矩阵键盘，如图2所示，键的数目可达12*12个。和51单片机实现的键盘一样，固件程序需要对行和列进行扫描，采用轮询或中断的方式，对按下的键值进行判断。

另外，在制作电路板的时候，注意D+和D-的走线尽量的短而且相等，晶振尽量靠近芯片。
3．2 USB芯片的固件程序设计
EZ-USB FX2LP芯片采用的是一种软配置模式。也就是USB设备的各种驱动程序都保存在上位机，上电后，USB主机首先将程序下载到RAM中，然后从RAM开始执行。在这个过程中，有两次“枚举”：刚加电时，USB内核中没有固件，将被枚举为一个默认的USB设备；主机下载固件程序之后，在内核中执行固件程序，就会重新识别并枚举这个USB设备，这个过程被称为“重枚举”。在第一次枚举时，根据芯片有没有连接E2PROM，以及E2PROM中第一个字节的值，有不同的处理方式。当没有外接E2PROM时，将根据驱动程序中提供的VID，PID和DID，把主机上对应的固件程序下载到片内的RAM中，并执行固件代码。
USB固件程序是USB设备功能的核心，通过两次枚举，固件程序被下载到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状态下。
固件程序使用Keil μVision来编写。可以参考Cypress的例程。大体步骤是：
(1)初始化休眠模式、远程唤醒等。
(2)初始化用户设备，主要是‘TD_Init()子程序。负责整个USB设备的初始化过程。
(3)定向描述符。
(4)把所用中断打开，并开启8051全局中断EA=1。由于EZ-USB设备启动需要重列举，因而需要通过设置和判断USBCS寄存器的RENUM和DISCON位来模拟设备物理上的断开和连接过程。
(5)用户外围设备控制功能的实现放在TD_Poll()子程序中，同时主循环中的SetupCommand()子程序用于接收、分析上位机的控制信号，响应上位机请求(标准请求和用户自定义请求)。
3．3 USB通用驱动程序的使用
USB设备的使用需要驱动程序的支持，Cypress提供了通用的USB驱动程序。
该驱动包括两部分：CyLoad．sys和CyUsb．sys，前者用于固件程序的下载，后者用于主机和固件程序的通信。这两个驱动程序提供的引导文件分别是CyLoad．inf和CyUSB．inf，用户可以直接使用，也可以根据需要进行改动。
为了在CyLoad．sys的帮助下实现固件的自动下载，固件程序CyLoad．HEX必须转换为适合自动下载的CyLoad．spt文件，并且与CyLoa d．sys一起放在CyLoad文件夹下，拷贝到系统system32目录下。在安装文件CyUSB．inf中设置的PID，VID必须和描述符中的一致，使得能够自动加载对应固件。
USB设备使用时，必须首先安装驱动程序，注意分别安装上面提到的下载驱动CyLoad．sys和通信驱动CyUsb．sys。安装驱动之后，可以使用Cypress提供的主机控制函数库CyAPI．lib开发主机程序，通过驱动程序和USB设备进行通信。
3．4 USB主机的应用程序设计
USB主机程序可以使用Cypress提供的CyAPI．lib库来进行编程。CyAPI．lib对应Cypress提供的驱动程序CyUsb．sys，为其提供了简单而且功能强大的C++编程接口，通过CyAPI．lib库提供的函数，可以对USB设备进行读写操作，这些函数主要是Open，Close和XferData。
本文以VC++6．0为例，描述创建USB设备应用程序的步骤。
(1)新建工程，并将CyAPI．h，CyAPI．lib，cyioctl．h三个文件加载到项目中。
CyAPI．h中定义了CCyUSBDevice、CCyControlEndPoint等几个重要的类；而cyioctl．h中则定义了读取USB设备的几个重要的结构和宏。
(2)在相应的文件中(视、框架或者对话框，依具体情况)，包含头文件CyAPI．h和cyioefl．h。
然后定义USB设备全局变量和控制端点全局变量，并进行初始化：
CCyUSBDevice*USBDevice=new CCyUSBDevice()；
CCyControlEndPoint*ept=USBDevice->ControlEndPt；
(3)在程序执行时，采用中断方式，或者轮询方式交换数据。以轮询方式为例，则在帧循环中加入如下代码：

首先判断设备是否打开，然后指定操作码，ept->XferData()完成传输，实现从端口读数据，或者向端口写数据。数据传输的方向由ept->Direction来设置。
(4)结束程序时，关闭USBDevice。
USBDevice->Close；

4 结论
EZ-USB FX2芯片实现USB系统，软硬件程序设计，相比较而言，简单、方便。本文介绍了设计USB系统的大体步骤，给出了USB键盘设计的实例。
上述系统和程序经过实际运行，工作稳定、可靠。