指紋采集系統中USB接口的設計(三)

幀號字段

幀號字段是一個11位的字段，主機每過一幀就將其內容加一。幀號字段達到其最大值7FFH時歸零，且它僅在每個幀最初時刻在SOF標記中被發送。

數據字段

數據字段可以在0到1023字節之間變動，但必須是整數個字節。圖3為多字節數據格式。每個字節的數據位移出時都是最低位（LSb）在前。數據包大小隨著傳送類型而變化。

圖3　數據字段格式

2.5  USB總線枚舉

當USB設備插到USB總線上時，主機通過一個叫總線枚舉的過程來確認設備狀態的改變。以下是USB設備從插到總線上到設備可用的整個枚舉過程：

（1）當USB設備接到hub（主機內置有根hub）上，該hub就會通知主機發生了設備接入事件，設備進入連接狀態，此時hub上與該設備連接的端口還未進入使能狀態；

（2）主機檢測hub，確認設備的接入時間和接入端口；

（3）直到確認了有新設備接入，主機就傳送一個復位（reset）命令；

（4）hub向端口發出一個持續100ms的reset命令，當該信號結束時，端口就己使能，hub提供100mA的電流給USB設備，設備進入上電狀態，所有的寄存器和狀態重設，并響應默認地址。

    （5）在USB設備收到唯一地址前，可以通過設備默認的地址訪問默認的端點，主機讀取設備的設備描述符來獲取設備默認管道的最大數據傳輸量，此時設備處于地址默認狀態；

    （6）主機給USB設備分配一個唯一的地址，設備進入地址狀態；

（7）主機讀取設備的配置描述符以獲取設備的配置信息；

（8）主機以設備的配置信息和USB設備的用途，向USB設備發出一個配置值；設備進入配置狀態；所有的端點準備就緒可以開始工作，設備可以使用；

當USB設備從總線上移出時，hub通知主機發生了設備移出事件，該設備的端口進入關閉裝態，主機將更新局部的拓撲邏輯信息。

三、指紋采集系統中USB接口的硬件設計

3.1  系統硬件設計方案

3.1.1  芯片選擇

目前，市場上供應的USB控制器（USB1.1協議）主要有兩種：帶有USB接口的單片機和純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機又可以分成兩類：一類是從底層設計專用于USB控制的單片機，如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于價格、開發工具以及單片機性能有限等問題，故很少選用此種芯片；另一類是增加了USB接口的普通單片機，如Intel公司的8X931（基于8051）,8X930（基于高速增強的8051）,Cypress公司的EZ-USB(基于8051)，選擇這類USB控制器，開發人員對指令比較熟悉，且外圍接口電路簡單。純粹的USB接口芯片僅處理數據的USB通信，因此必須增加一個外部處理器來進行協議處理和數據交換，如Philips公司的PDIUSBD11（I2C）,PDIUSBD12（并口），朗訊公司的USB820/825，美國國家半導體公司的USBN9602/9604和Netchip公司的NET228等。

    考慮到指紋圖像數據數量大，USB傳輸速率較高，如果利用純粹的USB接口芯片外加個普通控制器(如8051)，其處理速度會很慢，因而達不到指紋采集數據傳輸的要求，但如采用高速微處理器（如DSP）,雖滿足了速度要求，卻增加了成本。因此在各方面綜合下本論文選擇了Cypress公司的內置微控制器（增強型8051）的USB主控芯片EZ－USB AN2131QC。

指紋采集圖像傳感器采用OMNIVISION公司的CMOS彩色圖像傳感器OV7620。它具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價格低等優點。

3.1.2  系統結構

利CMOS數字圖象傳感器與USB接口數據傳輸來實現的指紋識別儀具有結構簡單、體積小、便攜化等優點。本章將重點介紹利用OmniVision公司的CMOS彩色數字圖象傳感器OV7620和Cypress公司的EZ-USB AN2131QC USB控制傳輸芯片（內部集成了增強型51內核）來實現指紋信息的采集和USB傳輸的硬件電路設計，應用AN2l31QC、 CPLD和OV7620設計的指紋識別系統硬件框圖如圖4所示：

圖4  指紋識別硬件系統簡略框架圖

首先，AN2131QC通過I2C對指紋圖像傳感器（OV7620）的窗口、輸出模式等參數進行配置，光學透鏡把指紋圖像成在OV7620的像面上后，CMOS圖像傳感器OV7620對其進行空間采樣，并按照一定的幀頻連續輸出8位的數字圖像數據Y[7:0]（輸出數字圖像數據的幀同步信號為VSYNC，水平有效信號為HREF，輸出時鐘信號為PCLK）。為了實現指紋傳感器輸出數據與USB控制器讀取數據速度與時序的匹配，使用了SRAM（IS61C1024）和CPLD構成高速緩沖區，利用此高速緩沖區先將OV7620輸出的指紋數據緩存，最后AN2131QC實現與上位機（PC機）的USB通信，將高速緩沖區中的數據傳輸到PC機進行相應的圖像處理。

3.2  USB主控芯片－AN2131QC

3.2.1  AN2131QC結構框圖

CYPRESS公司的EZ－USB芯片集成了一個USB外設接口所需的技術和電路。AN2131QC內部結構簡圖如圖5所示：

圖5  AN2131QC簡化框圖

該芯片集成了一個增強型8051核、一個串行接口引擎、一個USB收發模塊、RAM，對外有24個I/O接口，16位的地址總線、8位的數據總線，一個I2C接口和USB數據端口（D＋，D－）。該芯片遵從USB1.1協議規范，支持遠程喚醒功能。

集成的USB收發模塊與USB總線的D＋和D－引腳相連。串行接口引擎(SIE)對串行數據進行編碼和譯碼，并執行錯誤更正、位填充以及其它一些USB需要的信號級操作，最后發送數據字節到USB端口或從USB端口接收數據字節。

內部集成的微處理器是一個增強的8051，具有執行時間快（每個指令周期包含4個時鐘，時鐘頻率24MHz），并增加了許多新的特性。內部RAM可用來存儲程序和數據，使EZ-USB具有軟特性。

EZ-USB系列使用增強的SIE/USB接口（稱為“USB內核”），它甚至能在8051之前就具有智能的全部USB設備的功能。這個增強的內核能夠自動完成USB協議的許多工作，簡化了8051的程序設計。

EZ-USB芯片的電壓為3.3V，這簡化了USB設備總線電源的設計。因為USB連接器提供5V電源（USB規格說明中允許的最低電壓為4.4V）,可驅動3.3V調壓器，為EZ-USB芯片提供單獨的、穩定的電源。

3.2.2  AN2131QC微處理器

AN2131QC微處理器是一個改進的8051內核。使用8051兼容的處理器，為EZ－USB AN2131QC設計提供了大量的軟件支持工具。改進后的8051其特性如下：

（1）空閑的總線周期被消去，一個總線周期包含4個時鐘周期，而標準805則為12個時鐘周期，因此速度提高了3倍；

（2）24MHz時鐘脈沖；

（3）雙數據指針可用于存儲器之間的快速傳輸；

（4）三個計數器/定時器；

（5）擴展的中斷系統；

（6）兩個UART；

（7）256字節的內部寄存器RAM ；

（8）標準8051指令集；

（9）可變的MOVX周期提供給高速/低速的RAM外設；

（10）可與非復用的16位地址總線的高速存儲器接口；

（11）快速外部傳輸（自動指針、快速傳輸模式）；

（12）帶自動向量的USB 中斷；

（13）控制傳輸中的SETUP和DATA都有各自的緩沖器；

（14）3.3V工作電壓。

改進的8051內核使用片內RAM作程序和數據存儲器，使EZ-USB AN2131QC具有軟特性：首先，USB主機通過USB總線將8051程序代碼和設備描述符下載到RAM中，然后EZ-USB AN2131QC芯片使用己下載的程序中定義的外設特性進行重連接。

3.2.3  AN2131QC端點

AN2131QC端點的就是一個裝滿了接收字節或將要通過USB總線傳輸字節的緩沖器。8051從OUT緩沖器讀取數據，通過IN緩沖器寫入端點數據進行USB傳輸。

（1）塊端點

    塊端點無方向控制，即一個端點對應一個方向，塊端點的包長度為8，16，32，或64字節。AN2131QC提供了14個用于塊（批量）傳輸的端點，包括7個IN端點,（EP1_IN～EP7_IN），和7個OUT端點（EP1_OUT～EP7_OUT），14個端點中每個都有64字節的緩沖區。

（2）控制端點0

AN2131QC的端點0是控制端點，傳送來自或發向AN2131QC的控制信息，AN2131QC的枚舉（第一次插上主機時，主機對其初始化的過程）就是由端點0引導的。端點0是雙向的，且只接受SETUP PID。8051通過端點0響應主機發出的設備請求。

（3）中斷端點

    中斷端點與塊端點大致相同，14個AN2131QC端點（EP1～EP7，IN和OUT）可用作中斷端點，中斷端點信息包最大長度可達64字節，在其描述符中包含一個“輪詢間隔”字節，以告訴主機為之服務。8051通過中斷端點傳送數據的方式與塊端點完全一樣。

（4）同步端點

同步端點通過USB發送高帶寬、時間精確的數據。AN2131QC提供16個同步端點，編號為8～15 （8IN～15IN，80UT～150UT）。

3.2.4  AN2131QC枚舉與重枚舉

枚舉與重枚舉概述

所謂AN2131QC設備的枚舉與重枚舉就是指在復位（上電）期間，內核進行初始的總線枚舉和8051代碼下載，此時作為默認的USB設備；在脫離復位后，8051執行下載的代碼程序，再次進行總線枚舉，此次作為裝入的正常USB設備，重枚舉是芯片在電氣上模擬一次物理斷開和重連接來完成的，其實現電路如圖6所示：當運行下載的固件代碼時，在所有操作前使/DISCON管腳輸出低電平并持續一段時間，然后變為高電平。

圖6  重枚舉硬件電路

AN2131QC芯片具有軟特性：集成8051的程序代碼和數據存儲在內部RAM內，使用USB接口從主機中加載。因此，使用EZ－USB芯片的外圍設備可以不帶ROM、EPROM、FLASH存儲器工作。

EZ－USB AN2131QC的控制位“ReNum” （再次連接）決定了是由SIE內核還是8051來處理通過控制端點0的設備請求。在上電時，ReNum位（USBCS.1）是0，表明SIE內核自動處理設備請求。一旦8051固件代碼開始運行，它設置ReNum位為1表明使用由用戶下載的8051程序代碼來處理設備請求。

枚舉方式

EZ－USB AN2131QC芯片上電后，EZ－USB內核根據I2C總線上的外部EEPROM的內容來決定如何枚舉。如表3所示：

表3  通電時內核動作

EEPROM的首字節 EZ-USB內核動作過程

不是0xB0或0xB2 從EZ-USB提供描述符，PID/VID/DID，設置ReNum=0

0xB0 從EZ-USB提供描述符,從EEPROM提供PID/VID/DID,

設置ReNum=0

0xB2 加載EEPROM到EZ-USB的RAM,設置ReNum=1；由

8031提供描述符，PID/VID/DID

在表中，PID表示product ID，VID表示Version ID，DID表示Device ID。

（1）如果沒有EEPROM存在，或者是存在但首字節既不是0xB0也不是0xB2，EZ－USB內核使用內部存儲的描述符數據進行枚舉，包括Cypress半導體公司的PID/VID/DID，如表4所示。這些ID字節引起主機操作系統加載Cypress公司的設備驅動程序。這種方式只用在開發和調試階段。

表4  內部PID/VID/DID

Vendor ID 0x547（公司產品代號）

Product ID 0x2131（EZ－USB）

Device Release 0xXXYY(由版本決定)

（2）如果有串行的EEPROM連在I2C總線上并且首字節是0xB0，則EZ－USB內核同樣使用內部存儲的描述符，就像和沒有EEPROM一樣枚舉。但不同的是它從外部EEPROM的6個字節(如表5所示)中而不是EZ－USB內核提供PID/VID/DID數據。EEPROM中定制的用戶VID/PIDJDID使主機操作系統加載和EEPROM中PID/VID/DID相匹配的驅動程序。

表5  EEPROM內PID/VID/DID

EEPROM地址 內容

0 0xB0

1 Vendor ID （VID）L

2 Vendor ID （VID）H

3 Product ID （PID）L

4 Product ID （PID）H

5 Device ID（DID）L

6 Device ID（DID）H

7 未使用

（3）如果有串行的EEPROM連在I2C總線上并且首字節是0xB2，EZ－USB內核把EEPROM中的內容復制到內部RAM中。EZ－USB內核還設置“ReNum”位為1來表明8051（而不是EZ－USB核）通過“控制”端點0響應設備請求。因此，所有的描述符數據，包括PID/VID/DID數據都是由8051固件代碼提供。從EEPROM加載的最后一個字節（對于CPUCS寄存器）發出8051的復位信號，使EZ－USB芯片像完全定制的設備一樣使用RAM中的軟件。

3.3  輔助硬件電路設計

3.3.1  電壓調整模塊電路設計

整個硬件電路系統的供電方式采用USB電纜供電，也就是說，整個硬件電路的供電是主機（PC機）通USB接口提供的，其提供的電壓為+5V，最大電流為500mA。硬件電路中CPLD EPM7128,SRAMIS61C1024和OV7620工作電壓為+5V而USB控制器AN2131QC工作電壓是+3.3V，因此必須通過電壓調整電路將+5V的供電電壓轉換為+3.3V電壓，從而適應整個硬件系統的需求。圖7為+3.3V電壓調整器