基于FPGA技術(shù)的USB2.0接口設(shè)計(jì)實(shí)踐方案

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口因其傳輸速度快、支持熱插拔以及能夠連接多個設(shè)備的特點(diǎn)，已經(jīng)在各類外部設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。USB2.0作為USB接口的一個重要版本，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)480Mbps，并且具有良好的兼容性，能夠向下兼容USB1.1設(shè)備。本文將詳細(xì)介紹基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)的USB2.0接口設(shè)計(jì)實(shí)踐方案，并重點(diǎn)討論主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)方案中的作用。

二、主控芯片型號及其作用

1. 主控芯片型號

在本次USB2.0接口設(shè)計(jì)中，我們選擇了Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片，具體型號為CY7C68013A。CY7C68013A是世界上第一款集成USB2.0的微處理器，它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。這款芯片因其獨(dú)特的架構(gòu)和強(qiáng)大的功能，在USB2.0接口設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

2. 主控芯片作用

（1）USB2.0收發(fā)器：CY7C68013A內(nèi)置了高速的USB2.0收發(fā)器，支持全速（12Mbps）和高速（480Mbps）兩種傳輸模式。這使得該芯片能夠滿足USB2.0接口的高速率傳輸要求。

（2）SIE（串行接口引擎）：SIE負(fù)責(zé)處理USB協(xié)議中的大部分底層通信任務(wù)，包括數(shù)據(jù)包的封裝、解封裝、錯誤檢測和糾正等。通過硬件實(shí)現(xiàn)這些功能，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/span>

（3）增強(qiáng)的8051微控制器：CY7C68013A內(nèi)置了一個增強(qiáng)的8051微控制器，用于配置和管理USB接口的工作狀態(tài)。通過編寫固件程序，可以實(shí)現(xiàn)對USB接口的各種控制功能，如端點(diǎn)配置、數(shù)據(jù)傳輸模式選擇等。

（4）可編程的外圍接口：CY7C68013A提供了豐富的可編程外圍接口，包括FIFO（先進(jìn)先出隊(duì)列）、GPIF（通用可編程接口）等。這些接口可以與外部邏輯電路（如FPGA）進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的通信和控制功能。

三、設(shè)計(jì)方案

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

基于FPGA的USB2.0接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由FPGA、CY7C68013A芯片、電源模塊、時鐘模塊和接口電路等組成。FPGA作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和邏輯控制；CY7C68013A芯片作為USB2.0接口的主控芯片，負(fù)責(zé)USB通信協(xié)議的處理和數(shù)據(jù)傳輸；電源模塊和時鐘模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源和時鐘信號；接口電路用于連接外部設(shè)備和PC機(jī)。

2. FPGA設(shè)計(jì)

FPGA設(shè)計(jì)部分主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和USB通信控制三個模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊負(fù)責(zé)從外部傳感器或信號源采集數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的傳感器或信號源類型進(jìn)行定制。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，如濾波、放大、轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行定制。

（3）USB通信控制模塊：該模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)通過CY7C68013A芯片傳輸?shù)絇C機(jī)。USB通信控制模塊的設(shè)計(jì)需要遵循USB2.0通信協(xié)議，并編寫相應(yīng)的固件程序來配置和管理USB接口的工作狀態(tài)。

3. CY7C68013A固件設(shè)計(jì)

CY7C68013A的固件設(shè)計(jì)是USB2.0接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。固件程序需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）端點(diǎn)配置：根據(jù)應(yīng)用需求，配置CY7C68013A的端點(diǎn)（Endpoint）數(shù)量和類型。端點(diǎn)是USB接口中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_區(qū)，每個端點(diǎn)都可以配置為輸入端點(diǎn)、輸出端點(diǎn)或雙向端點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模式選擇：根據(jù)應(yīng)用需求，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸模式，如批量傳輸、中斷傳輸、控制傳輸或同步傳輸?shù)?。不同的傳輸模式適用于不同的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)傳輸要求。

（3）數(shù)據(jù)處理和控制：在固件程序中編寫數(shù)據(jù)處理和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)的處理和分析，以及通過USB接口與PC機(jī)的通信控制。

4. 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路設(shè)計(jì)部分主要包括USB接口電路、電源電路和時鐘電路等。

（1）USB接口電路：USB接口電路用于連接CY7C68013A芯片和PC機(jī)的USB端口。該電路需要遵循USB2.0接口標(biāo)準(zhǔn)，包括D+和D-數(shù)據(jù)線、VBUS電源線、GND地線等。

（2）電源電路：電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。根據(jù)CY7C68013A芯片和FPGA的功耗需求，選擇合適的電源芯片和電源電路設(shè)計(jì)方案。

（3）時鐘電路：時鐘電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號。根據(jù)CY7C68013A芯片和FPGA的時鐘需求，選擇合適的時鐘芯片和時鐘電路設(shè)計(jì)方案。

四、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1. 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件實(shí)現(xiàn)部分主要包括FPGA開發(fā)板、CY7C68013A芯片、電源模塊、時鐘模塊和接口電路等硬件組件的搭建和連接。在搭建硬件系統(tǒng)時，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）確保FPGA開發(fā)板、CY7C68013A芯片和其他硬件組件的型號和規(guī)格符合要求。

（2）正確連接FPGA開發(fā)板與CY7C68013A芯片之間的數(shù)據(jù)線和控制線。

（3）正確連接電源模塊和時鐘模塊，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

（4）正確連接USB接口電路，確保系統(tǒng)能夠與PC機(jī)進(jìn)行通信。

2. 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)部分主要包括FPGA程序設(shè)計(jì)、CY7C68013A固件程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)等。

（1）FPGA程序設(shè)計(jì)：使用FPGA開發(fā)軟件（如Quartus II）編寫FPGA程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和USB通信控制等功能。在編寫程序時，需要注意代碼的優(yōu)化和調(diào)試，確保程序能夠正確運(yùn)行。

（2）CY7C68013A固件程序設(shè)計(jì)：使用CY7C68013A的開發(fā)工具（如Keil C51）編寫固件程序，實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)配置、數(shù)據(jù)傳輸模式選擇和數(shù)據(jù)處理等功能。在編寫固件程序時，需要遵循USB2.0通信協(xié)議，并參考CY7C68013A的技術(shù)手冊和示例代碼。

（3）上位機(jī)程序設(shè)計(jì)：使用上位機(jī)開發(fā)軟件（如Visual Studio）編寫上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)與FPGA和CY7C68013A芯片的通信和數(shù)據(jù)接收等功能。在編寫上位機(jī)程序時，需要遵循USB2.0通信協(xié)議，并參考相關(guān)的USB驅(qū)動程序和API文檔。

五、測試與驗(yàn)證

在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試與驗(yàn)證，以確保其能夠正常工作并滿足設(shè)計(jì)要求。測試與驗(yàn)證部分主要包括硬件測試、軟件測試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等。

1. 硬件測試

硬件測試部分主要包括電源測試、時鐘測試和接口測試等。通過測試電源電路和時鐘電路的輸出電壓和頻率，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。通過測試USB接口電路的連通性和數(shù)據(jù)傳輸速率，確保系統(tǒng)能夠與PC機(jī)進(jìn)行正常通信。

2. 軟件測試

軟件測試部分主要包括FPGA程序測試、固件程序測試和上位機(jī)程序測試等。通過編寫測試用例和測試代碼，對FPGA程序、固件程序和上位機(jī)程序進(jìn)行單元測試和綜合測試，確保程序能夠正確運(yùn)行并滿足設(shè)計(jì)要求。

3. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)部分主要包括硬件和軟件之間的聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)整體功能的測試。通過連接FPGA開發(fā)板、CY7C68013A芯片和PC機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信測試，確保系統(tǒng)能夠正常工作并滿足設(shè)計(jì)要求。同時，還需要對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行測試，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

六、結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于FPGA技術(shù)的USB2.0接口設(shè)計(jì)實(shí)踐方案，并重點(diǎn)討論了主控芯片型號CY7C68013A及其在設(shè)計(jì)方案中的作用。通過硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和測試與驗(yàn)證等步驟，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的USB2.0接口設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種需要高速數(shù)據(jù)傳輸和通信控制的應(yīng)用場景。未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化和完善該系統(tǒng)，提高其性能和可靠性，以滿足更多應(yīng)用需求。