指纹采集系统中USB接口的设计(三)

帧号字段

帧号字段是一个11位的字段，主机每过一帧就将其内容加一。帧号字段达到其最大值7FFH时归零，且它仅在每个帧最初时刻在SOF标记中被发送。

数据字段

数据字段可以在0到1023字节之间变动，但必须是整数个字节。图3为多字节数据格式。每个字节的数据位移出时都是最低位（LSb）在前。数据包大小随着传送类型而变化。

图3　数据字段格式

2.5  USB总线枚举

当USB设备插到USB总线上时，主机通过一个叫总线枚举的过程来确认设备状态的改变。以下是USB设备从插到总线上到设备可用的整个枚举过程：

（1）当USB设备接到hub（主机内置有根hub）上，该hub就会通知主机发生了设备接入事件，设备进入连接状态，此时hub上与该设备连接的端口还未进入使能状态；

（2）主机检测hub，确认设备的接入时间和接入端口；

（3）直到确认了有新设备接入，主机就传送一个复位（reset）命令；

（4）hub向端口发出一个持续100ms的reset命令，当该信号结束时，端口就己使能，hub提供100mA的电流给USB设备，设备进入上电状态，所有的寄存器和状态重设，并响应默认地址。

    （5）在USB设备收到唯一地址前，可以通过设备默认的地址访问默认的端点，主机读取设备的设备描述符来获取设备默认管道的最大数据传输量，此时设备处于地址默认状态；

    （6）主机给USB设备分配一个唯一的地址，设备进入地址状态；

（7）主机读取设备的配置描述符以获取设备的配置信息；

（8）主机以设备的配置信息和USB设备的用途，向USB设备发出一个配置值；设备进入配置状态；所有的端点准备就绪可以开始工作，设备可以使用；

当USB设备从总线上移出时，hub通知主机发生了设备移出事件，该设备的端口进入关闭装态，主机将更新局部的拓扑逻辑信息。

三、指纹采集系统中USB接口的硬件设计

3.1  系统硬件设计方案

3.1.1  芯片选择

目前，市场上供应的USB控制器（USB1.1协议）主要有两种：带有USB接口的单片机和纯粹的USB接口芯片。带USB接口的单片机又可以分成两类：一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速），但由于价格、开发工具以及单片机性能有限等问题，故很少选用此种芯片；另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Intel公司的8X931（基于8051）,8X930（基于高速增强的8051）,Cypress公司的EZ-USB(基于8051)，选择这类USB控制器，开发人员对指令比较熟悉，且外围接口电路简单。纯粹的USB接口芯片仅处理数据的USB通信，因此必须增加一个外部处理器来进行协议处理和数据交换，如Philips公司的PDIUSBD11（I2C）,PDIUSBD12（并口），朗讯公司的USB820/825，美国国家半导体公司的USBN9602/9604和Netchip公司的NET228等。

    考虑到指纹图像数据数量大，USB传输速率较高，如果利用纯粹的USB接口芯片外加个普通控制器(如8051)，其处理速度会很慢，因而达不到指纹采集数据传输的要求，但如采用高速微处理器（如DSP）,虽满足了速度要求，却增加了成本。因此在各方面综合下本论文选择了Cypress公司的内置微控制器（增强型8051）的USB主控芯片EZ－USB AN2131QC。

指纹采集图像传感器采用OMNIVISION公司的CMOS彩色图像传感器OV7620。它具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价格低等优点。

3.1.2  系统结构

利CMOS数字图象传感器与USB接口数据传输来实现的指纹识别仪具有结构简单、体积小、便携化等优点。本章将重点介绍利用OmniVision公司的CMOS彩色数字图象传感器OV7620和Cypress公司的EZ-USB AN2131QC USB控制传输芯片（内部集成了增强型51内核）来实现指纹信息的采集和USB传输的硬件电路设计，应用AN2l31QC、 CPLD和OV7620设计的指纹识别系统硬件框图如图4所示：

图4  指纹识别硬件系统简略框架图

首先，AN2131QC通过I2C对指纹图像传感器（OV7620）的窗口、输出模式等参数进行配置，光学透镜把指纹图像成在OV7620的像面上后，CMOS图像传感器OV7620对其进行空间采样，并按照一定的帧频连续输出8位的数字图像数据Y[7:0]（输出数字图像数据的帧同步信号为VSYNC，水平有效信号为HREF，输出时钟信号为PCLK）。为了实现指纹传感器输出数据与USB控制器读取数据速度与时序的匹配，使用了SRAM（IS61C1024）和CPLD构成高速缓冲区，利用此高速缓冲区先将OV7620输出的指纹数据缓存，最后AN2131QC实现与上位机（PC机）的USB通信，将高速缓冲区中的数据传输到PC机进行相应的图像处理。

3.2  USB主控芯片－AN2131QC

3.2.1  AN2131QC结构框图

CYPRESS公司的EZ－USB芯片集成了一个USB外设接口所需的技术和电路。AN2131QC内部结构简图如图5所示：

图5  AN2131QC简化框图

该芯片集成了一个增强型8051核、一个串行接口引擎、一个USB收发模块、RAM，对外有24个I/O接口，16位的地址总线、8位的数据总线，一个I2C接口和USB数据端口（D＋，D－）。该芯片遵从USB1.1协议规范，支持远程唤醒功能。

集成的USB收发模块与USB总线的D＋和D－引脚相连。串行接口引擎(SIE)对串行数据进行编码和译码，并执行错误更正、位填充以及其它一些USB需要的信号级操作，最后发送数据字节到USB端口或从USB端口接收数据字节。

内部集成的微处理器是一个增强的8051，具有执行时间快（每个指令周期包含4个时钟，时钟频率24MHz），并增加了许多新的特性。内部RAM可用来存储程序和数据，使EZ-USB具有软特性。

EZ-USB系列使用增强的SIE/USB接口（称为“USB内核”），它甚至能在8051之前就具有智能的全部USB设备的功能。这个增强的内核能够自动完成USB协议的许多工作，简化了8051的程序设计。

EZ-USB芯片的电压为3.3V，这简化了USB设备总线电源的设计。因为USB连接器提供5V电源（USB规格说明中允许的最低电压为4.4V）,可驱动3.3V调压器，为EZ-USB芯片提供单独的、稳定的电源。

3.2.2  AN2131QC微处理器

AN2131QC微处理器是一个改进的8051内核。使用8051兼容的处理器，为EZ－USB AN2131QC设计提供了大量的软件支持工具。改进后的8051其特性如下：

（1）空闲的总线周期被消去，一个总线周期包含4个时钟周期，而标准805则为12个时钟周期，因此速度提高了3倍；

（2）24MHz时钟脉冲；

（3）双数据指针可用于存储器之间的快速传输；

（4）三个计数器/定时器；

（5）扩展的中断系统；

（6）两个UART；

（7）256字节的内部寄存器RAM ；

（8）标准8051指令集；

（9）可变的MOVX周期提供给高速/低速的RAM外设；

（10）可与非复用的16位地址总线的高速存储器接口；

（11）快速外部传输（自动指针、快速传输模式）；

（12）带自动向量的USB 中断；

（13）控制传输中的SETUP和DATA都有各自的缓冲器；

（14）3.3V工作电压。

改进的8051内核使用片内RAM作程序和数据存储器，使EZ-USB AN2131QC具有软特性：首先，USB主机通过USB总线将8051程序代码和设备描述符下载到RAM中，然后EZ-USB AN2131QC芯片使用己下载的程序中定义的外设特性进行重连接。

3.2.3  AN2131QC端点

AN2131QC端点的就是一个装满了接收字节或将要通过USB总线传输字节的缓冲器。8051从OUT缓冲器读取数据，通过IN缓冲器写入端点数据进行USB传输。

（1）块端点

    块端点无方向控制，即一个端点对应一个方向，块端点的包长度为8，16，32，或64字节。AN2131QC提供了14个用于块（批量）传输的端点，包括7个IN端点,（EP1_IN～EP7_IN），和7个OUT端点（EP1_OUT～EP7_OUT），14个端点中每个都有64字节的缓冲区。

（2）控制端点0

AN2131QC的端点0是控制端点，传送来自或发向AN2131QC的控制信息，AN2131QC的枚举（第一次插上主机时，主机对其初始化的过程）就是由端点0引导的。端点0是双向的，且只接受SETUP PID。8051通过端点0响应主机发出的设备请求。

（3）中断端点

    中断端点与块端点大致相同，14个AN2131QC端点（EP1～EP7，IN和OUT）可用作中断端点，中断端点信息包最大长度可达64字节，在其描述符中包含一个“轮询间隔”字节，以告诉主机为之服务。8051通过中断端点传送数据的方式与块端点完全一样。

（4）同步端点

同步端点通过USB发送高带宽、时间精确的数据。AN2131QC提供16个同步端点，编号为8～15 （8IN～15IN，80UT～150UT）。

3.2.4  AN2131QC枚举与重枚举

枚举与重枚举概述

所谓AN2131QC设备的枚举与重枚举就是指在复位（上电）期间，内核进行初始的总线枚举和8051代码下载，此时作为默认的USB设备；在脱离复位后，8051执行下载的代码程序，再次进行总线枚举，此次作为装入的正常USB设备，重枚举是芯片在电气上模拟一次物理断开和重连接来完成的，其实现电路如图6所示：当运行下载的固件代码时，在所有操作前使/DISCON管脚输出低电平并持续一段时间，然后变为高电平。

图6  重枚举硬件电路

AN2131QC芯片具有软特性：集成8051的程序代码和数据存储在内部RAM内，使用USB接口从主机中加载。因此，使用EZ－USB芯片的外围设备可以不带ROM、EPROM、FLASH存储器工作。

EZ－USB AN2131QC的控制位“ReNum” （再次连接）决定了是由SIE内核还是8051来处理通过控制端点0的设备请求。在上电时，ReNum位（USBCS.1）是0，表明SIE内核自动处理设备请求。一旦8051固件代码开始运行，它设置ReNum位为1表明使用由用户下载的8051程序代码来处理设备请求。

枚举方式

EZ－USB AN2131QC芯片上电后，EZ－USB内核根据I2C总线上的外部EEPROM的内容来决定如何枚举。如表3所示：

表3  通电时内核动作

EEPROM的首字节 EZ-USB内核动作过程

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

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

设置ReNum=0

0xB2 加载EEPROM到EZ-USB的RAM,设置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）如果没有EEPROM存在，或者是存在但首字节既不是0xB0也不是0xB2，EZ－USB内核使用内部存储的描述符数据进行枚举，包括Cypress半导体公司的PID/VID/DID，如表4所示。这些ID字节引起主机操作系统加载Cypress公司的设备驱动程序。这种方式只用在开发和调试阶段。

表4  内部PID/VID/DID

Vendor ID 0x547（公司产品代号）

Product ID 0x2131（EZ－USB）

Device Release 0xXXYY(由版本决定)

（2）如果有串行的EEPROM连在I2C总线上并且首字节是0xB0，则EZ－USB内核同样使用内部存储的描述符，就像和没有EEPROM一样枚举。但不同的是它从外部EEPROM的6个字节(如表5所示)中而不是EZ－USB内核提供PID/VID/DID数据。EEPROM中定制的用户VID/PIDJDID使主机操作系统加载和EEPROM中PID/VID/DID相匹配的驱动程序。

表5  EEPROM内PID/VID/DID

EEPROM地址 内容

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连在I2C总线上并且首字节是0xB2，EZ－USB内核把EEPROM中的内容复制到内部RAM中。EZ－USB内核还设置“ReNum”位为1来表明8051（而不是EZ－USB核）通过“控制”端点0响应设备请求。因此，所有的描述符数据，包括PID/VID/DID数据都是由8051固件代码提供。从EEPROM加载的最后一个字节（对于CPUCS寄存器）发出8051的复位信号，使EZ－USB芯片像完全定制的设备一样使用RAM中的软件。

3.3  辅助硬件电路设计

3.3.1  电压调整模块电路设计

整个硬件电路系统的供电方式采用USB电缆供电，也就是说，整个硬件电路的供电是主机（PC机）通USB接口提供的，其提供的电压为+5V，最大电流为500mA。硬件电路中CPLD EPM7128,SRAMIS61C1024和OV7620工作电压为+5V而USB控制器AN2131QC工作电压是+3.3V，因此必须通过电压调整电路将+5V的供电电压转换为+3.3V电压，从而适应整个硬件系统的需求。图7为+3.3V电压调整器