USBXpress™ 设备配置与编程指南

在电子设备开发中，USB 接口的应用极为广泛。Silicon Labs 提供了一系列 USBXpress 单芯片连接桥解决方案，支持 USB 到串行协议，以及用于人机接口设备（HID）类和 USB 音频应用的专用桥。本文将详细介绍如何使用 Simplicity Studio 提供的工具来配置这些设备的选项，以及如何进行生产编程和订购预编程部件。

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1. 基础知识

1.1 USB 供应商 ID 和产品 ID

每个 USB 设备都需要一个唯一的供应商 ID（VID）、产品 ID（PID）和序列号组合，以避免冲突。PC 通过匹配设备的 VID/PID 来使用相应的驱动程序。VID 由 USB 实施者论坛（USB - IF）分配给供应商公司，拥有特定 VID 的公司可以拥有该 VID 下的所有可能的 PID。可以从 http://www.usb.org/developers/vendor 获取唯一的 VID，也可以使用 Silicon Labs 的默认 VID（0x10C4），并通过 http://www.silabs.com/RequestPID 为基于 CP210x/CP211x/CP2130 的产品请求唯一的 PID。定制 USB 字符串虽然是可选的，但强烈推荐，因为唯一的 VID/PID 组合可以防止驱动程序与其他 USB 驱动程序冲突。

1.2 USB 标志和认证测试

USB 是广泛使用的外设，USB 实施者论坛（USB - IF）为符合条件的 USB 产品引入了受商标保护的标志。要使用该标志，USB 产品需要符合 USB - IF 的标准。产品通过 USB - IF 的合规性和/或认证测试意味着该产品已通过测试符合规范。每种 USB 产品都需要进行特定测试才能列入集成商列表，这对 OEM 和消费者都很重要，因为经过 USB - IF 测试和认证的产品可以确保相互兼容。要获得使用 USB - IF 标志的许可，需要向 USB - IF 注册产品的 VID 和 PID，并将产品提交到 USB - IF 合规计划，详情可参考 http://www.usb.org/developers/compliance。产品认证后可以添加到 USB - IF 集成商列表，并在产品上使用“Certified USB”标志。

2. 基本设备定制

不同系列的 USBXpress 设备在配置上有不同的要求。

2.1 定制 CP210x 非 HID USB 设备

• 请求唯一 PID：从 http://www.silabs.com/RequestPID 为新产品设计请求唯一的 PID，或从 usb.org 获取 VID/PID。
• 下载驱动：从 http://www.silabs.com/products/mcu/pages/usbtouartbridgevcpdrivers.aspx 下载适合操作系统的 VCP 驱动，该驱动需与 CP210x 设备的默认 VID 和 PID 匹配才能与设备通信。
• 更改描述符：使用 Xpress Configurator 更改设备可编程内存中的描述符。
• 选择驱动：如果需要 USBXpress 驱动，可从 http://www.silabs.com/usbxpress 下载，该驱动默认不匹配 CP210x 设备的默认 VID/PID，需要对设备或驱动（或两者）进行定制以匹配。
• 更新驱动：使用 USB 驱动定制向导和 AN220SW 及 AN220 中的说明更新驱动以适应新的 PID 和其他更改的描述符。
• Windows 认证：在 Windows 系统下，定制驱动有资格进行 WHQL 转售商提交认证，需在 WinQual 网站（https://sysdev.microsoft.com）注册获取账户，使用 Internet Explorer 浏览器，需要 Verisign ID 注册，注册后通知 Silicon Labs 支持团队添加为注册转售商，完成再认证过程。详细说明可参考 AN807。

CP210x 系列设备提供 USB 到 UART 的通信，需要在主机上安装驱动。Silicon Labs 提供了两种驱动：虚拟 COM 端口（VCP）驱动和 USBXpress 驱动，一次只能为一个设备关联一个驱动，驱动基于匹配的 VID/PID 与设备关联。

2.2 定制 CP211x HID USB 设备

• 请求唯一 PID：从 http://www.silabs.com/RequestPID 为新设计请求唯一的 PID。
• 更改描述符：使用 Xpress Configurator（或 CP21xx 设备定制软件用于 CP2114 设备）更改设备固件中的描述符。

CP211x 系列属于 HID 类设备，大多数操作系统可以使用通用的原生驱动自动识别，不需要额外安装驱动，但 PC 应用程序需要使用特定的 CP211x HID 规范与设备通信，相关规范可参考 AN433 和 AN496。

2.3 定制 CP2130 USB - to - SPI 设备

• 请求唯一 PID：从 http://www.silabs.com/RequestPID 为新产品设计请求唯一的 PID，或从 http://www.usb.org/ 获取 VID/PID。
• 下载驱动：从 http://www.silabs.com/CP2130EK 下载适合操作系统的 WinUSB 驱动，该驱动需与 CP2130 设备的默认 VID 和 PID 匹配才能与设备通信。
• 更改描述符：使用 Xpress Configurator 更改设备固件中的描述符。
• 修改驱动文件：修改 WinUSB 驱动的硬件安装文件（.inf）以适应新的 PID 和其他更改的描述符，定制驱动需确保完全正确，因为驱动认证后文件不能有任何更改，对 Windows 安装 .inf 文件的更改需要进行新的 Windows 硬件质量实验室（WHQL）测试。
• Windows 认证：与 CP210x 设备类似，在 Windows 系统下进行 WHQL 转售商提交认证，详细说明可参考 AN807。

CP2130 系列设备提供 USB 到 SPI 的通信，通常可以使用通用的 USB 驱动，如 Microsoft 的 WinUSB 或开源的 libUSB 驱动，需要生成适当的驱动 INF 文件将 CP2130 与特定的 USB VID/PID 关联。

3. 设备定制软件

Silicon Labs 提供了两种工具来定制 USBXpress 设备：Simplicity Studio 中的 Xpress Configurator 和遗留的 CP21xx 设备定制软件。

3.1 Xpress Configurator

Xpress Configurator 通过 Simplicity Studio 支持所有主要操作系统，可对除 CP2114 外的所有 USBXpress 设备进行编程，未来版本将添加对 CP2114 的支持。可以配置设备的 USB 属性，如 Vendor ID / Product ID、设备字符串、发布版本、USB 电源模式等，大多数设备还有其他可配置选项，如调制解调器信号、特殊功能、GPIO、接口选项等。

工具会验证配置的所有更改，并在视图底部的 [Problems] 列表中提醒用户任何配置问题或潜在问题。用户开发出有效的配置后，可点击 [Program to Device] 将配置下载到设备。工具还会从设备读取配置以确保请求的值已正确编程，如果设备被锁定或为一次性可编程且已编程，请求的值可能无法编程到设备，此时存储在设备上与请求值不匹配的值将被高亮显示。

工具还包含每个可配置参数的数据表信息，点击参数旁边的小 [I] 按钮可查看。在设备编程和导入过程中，工具会在项目视图底部的 [Status] 窗格提供实时状态更新，状态消息的描述可在相应的编程 API 文档中找到。

配置完成后，工具可用于生成生产编程的输出配置，或向 Silicon Labs 请求预编程部件。保存项目时会生成一个配置文件，可与 Standalone Manufacturing Tools 一起用于设备的生产编程。点击 [Request Parts] 按钮并填写所需信息，然后点击 [Confirm and Send] 可订购预编程设备。

3.1.1 示例 Xpress Configurator 使用

以 CP2103 USB - to - UART 桥为例：

• 连接设备：将板卡连接到 Simplicity Studio，启动器窗口会显示一组兼容的应用程序。
• 创建项目：在 Simplicity Studio 中点击 [Xpress Configurator] 打开配置工具。
• 设备配置：新项目通常分为 [Device Configuration] 和 [Port Configuration] 两个主要配置区域。在 [Device Configuration] 部分输入自定义的 [Product String] 和 [Serial String]，可改变设备连接到主机时的显示方式。在 [Port Configuration: GPIO] 部分更改 GPIO.2 和 GPIO.3 的 [Reset Latch] 值为“Low”，可打开 CP2103 - EK 上的 LED DS2 和 DS3；配置 GPIO.0 和 GPIO.1 的 [Latch Control] 选项分别为 TX Toggle 和 RX Toggle，可使 CP2103 - EK 上的发送和接收 LED 在设备通过 UART 发送或接收数据时闪烁。
• 编程设备：如果 [Problems] 列表中没有问题，点击 [Program To Device] 进行编程。
• 测试配置：编程完成后，设备会自动验证请求的设置是否已应用，如果设备返回的设置与请求的不同，会显示错误信息。可通过 USB View 等程序确认 USB 属性，对于具有关联虚拟 COM 端口驱动的 USB - to - UART USBXpress 设备，可使用 Hyperterminal 等串行终端程序测试 UART 行为，对于其他设备，可使用其软件包中分发的示例应用程序进行测试。

3.1.2 常见问题排查

• 设置编程失败：这通常是由于对一次性可编程设备上已编程过的字段进行编程，或设备已被锁定导致的。如果是这种情况，需要获取新设备来编程所需设置。
• 编程后设备未找到：仅适用于 CP210x 设备。
• 设备无响应：仅适用于一次性可编程设备，通常是由于设备的 VPP 引脚连接不正确导致的，需要检查 VPP 引脚是否根据设备数据手册正确连接，连接正确后可能需要重置设备。
• 功能不支持：通常是由于尝试使用不同部件编号的配置对设备进行编程，或使用了未实现特定功能的旧版本部件导致的。需要确保用于配置设备的项目与设备的部件编号匹配，如果设备和项目匹配但仍出现错误，检查设备的版本，如果是旧版本，可忽略此错误。

3.2 CP21xx 设备定制软件

CP21xx 设备定制软件是一个 Windows 应用程序，主要用于 CP2114 系列设备。软件会自动识别连接到 PC 的设备，启动时会搜索 Windows 注册表中的 CP21xx 设备，并将找到的所有设备的完整路径信息插入“Select Device”下拉列表中，自动选择第一个设备。

该软件使用 Windows 主机 API 函数，可对连接设备的可编程区域中的描述符进行读写访问。也可以使用适合特定生产环境需求的 DLL 实现自定义应用程序。对于大订单，也可以在生产时在工厂设置描述符。

3.2.1 CP2114 设备定制

• Set IDs 选项卡：可修改的参数包括 VID、PID、Power、Power Mode、Release Version、Flush Buffers、Manufacturer、Product Description 和 Serial Number。
• Port Configuration 设置：点击“Port Configuration”选项卡可访问端口配置设置，点击值框中的数字可访问每个引脚配置的下拉菜单选项，更改值后会高亮显示，完成后点击“Program Device”按钮保存设置。CP2114 中的 GPIO 引脚设置可修改为输入、输出推挽或输出开漏，可从下拉菜单中选择 GPIO 引脚配置选项和替代功能。Suspend Value 设置允许在选定的引脚启用锁存，Suspend Mode 有类似的菜单，可在挂起模式下为不同引脚选择开漏或推挽。

3.2.2 CP2114 DAC 配置

点击 [Advanced] 选项卡并选择 [DAC Configuration CP2114] 可访问 DAC 配置实用程序，该应用程序允许将音频配置字符串发送到一次性可编程内存，CP2114 使用该音频字符串配置 DAC/CODEC。

4. 编程选项

4.1 独立制造工具

Xpress Configurator 生成的配置文件可与独立制造工具（SMT）命令行编程器一起使用来编程 USBXpress 设备。该文件可在 Simplicity Studio 中通过展开配置器项目在项目资源管理器中访问。每个系列的设备都有自己的制造工具，如 cp210xsmt 用于 CP210x 系列设备。

4.1.1 独立制造工具使用

独立制造工具从命令行使用，输入结构为：tool.exe option1 option1_argument option2 option2_argument…。工具的选项包括：

• --help：输出帮助页面。
• --reset：对所有连接的设备执行软复位，相当于 USB 断开/重新连接。
• --device - count ：指定连接的设备数量，编程过程如果发现设备数量不同或无法打开设备将不会启动，验证过程将不断重试直到可以验证指定数量的设备。
• --serial - nums {X Y Z…}|GUID：用于指定要写入设备的序列号，只有提供此选项才会写入序列号。{X Y Z} 指定要编程到设备的序列号列表，提供的序列号数量必须与要编程的设备数量匹配，否则会报告错误；GUID 表示 SMT 将使用平台提供的 UUID 生成函数自动生成唯一的序列号写入连接的设备。
• --set - and - verify - config config_file_name：使用配置文件中的配置对每个设备进行编程和验证，并打印编程的序列号列表。
• --set - config config_file_name：使用配置文件中的配置对每个设备进行编程，并打印编程的序列号列表。
• --verify - config config_file_name：使用配置文件中的配置验证每个设备，如果任何连接的设备验证失败，smt 将报告错误。注意 --serial - nums GUID 不能与该选项一起使用，需要传递编程过程中报告的序列号。

4.1.2 独立制造工具示例

给出了两个使用独立制造工具的示例，分别展示了使用 set - and - verify 选项和分步骤进行配置、复位和验证的过程。

4.2 内部编程

对于生产订单，Silicon Labs 为所有 USBXpress 设备提供编程服务，预编程设备可以直接安装在最终系统中，无需进行系统内编程。如果使用 Xpress Configurator，点击 [Request Parts] 按钮，填写表格并点击 [Confirm and Send]，会提供后续操作说明，也可以联系当地销售代表了解更多信息。

在实际的电子设计中，你是否遇到过类似的 USB 设备配置和编程问题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。