基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计

第18卷 V01．18 第l期 No．1 电子设计工程 2010年1月 —Elec—tron⋯icDes—ign一娶喧璺竺璺竖 !竺：垫!Q 基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计 杨志坤。曾博．汤国文 (电子科技大学电子工程学院。四川成都611731) 摘要：设计基于FPGA的IP-PBX电话应用系统。用于传统的电话网络(PSTN)与PC机之间的接13'连接。USB2．0接口 器件EZ．USBFX2CY7C68013A．56工作在slaveFIFO模式．为基于FPGA的嵌入式系统与PC机之间提供数据和命 令通道，从而可满足PC机与FPGA之间数据与命令的高速传榆，实现PSTN与PC机之间的电话通信。硬件调试结果 表明系统工作稳定．通话质量满足要求。 关键词：41l：lt；FPGA；USB2．0；slaveFIFO 中图分类号：，Ⅱ'334 文献标识码：A 文章编号：1674-6236(2010)01-0030--02 DesignofUSBinterfaceofembeddedsystembasedonFPGA YANGZhi．kun．ZENG130．7rANGGuo-wen (SchoolofElectronicEngineering，Umve腮缈ofElectronicScienceandTechnology。Chengdu611731，China) Abstract：11lepaperfocusOntheimplementationoftheIP-PBXPSTNsystembasedonFPGA．realizestheinterface connectionbetweenconventionalPSTNandPC．TheUSB2．0interfacechipEZ．USBFX2CY7C68013A．56worksinslave FIFOmode，itprovideshigh·speedtransmi鹪ionchannelsfordataandcommandsoftheembeddedsystembasedonFPGA， realizesthehigIl·speeddatatransmissionbetweenthePCandFleAsystem．r11lehardwaretestingresultpmvesthatthe systemworksstable。andsatistiestheaudiocriterion． Keywords：interface；FIGA：USB2．0；slaveFIFO 通用串行总线USB(UniversalSerialBus)是应用于Pc领 域的接口技术，已得到广泛应用。USB2．0已成为目前电脑中 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 扩展接[IIll。本系统设计的目的在于为公共交换电话 网络(PSrN)和PC机之问提供一个数字接El。设计中PC机 是主机。基于FPGA的嵌入式系统是USB设备。该系统是IP- PBX的简化系统，大量工作由PC的服务器完成。而这里重点 介绍以n，GA为控制核心的USB接口设计。 1系统结构设计 该系统通过TRM(TelephoneResponseModule)和Pc服 务器实现嗍网络和Intemet网络之间自由、高效通话。图 l为整个系统结构示意图。 图I系统结构示意图 系统t作过程：当有来电时，DAA向FPGA申请中断。 FPCA收到中断后，使用USB的中断传输向主机 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 有外接 来电。则PC的应用软件会提示用户选择摘机或拒绝。摘机 后。n，GA在接收到命令后就会接通电话，然后语音数据通过 USB的同步传输进行双向传送。当用户向外拨号时，其过程 与来电时的情况是相同的。 收稿日期：2009-08—17稿件编号：200908035 2系统硬件模块设计 2．1系统硬件框图 本设计采用FPGA作为核心控制器件l刁。其控制对象是 USB2．0接13器件EZ-USBFX2CY7C68013A．56。图2为EZ- USB器件工作在SlavenFo模式下时Fx2USB和FPGA的 典型电路连接图。 CLK IFCLK FIF0，EP FLAGA FIFO．FULLFLAGB FIFO—PF FLABC FIFO—RD SL曲 FIFOWR SLWIl FIF0—0E SLoE FIFO．ADR【I：0】··● FIFOAORfl：0】 FIFO．DATA【7：0】¨ FIFODATA【7：0】 图2系统硬件电路连接 2．2FPGA和USB简介 设计中的核心控制器件nBA选用Altrea公司的 EP2C8Q208C8。而USB设备器件则选用Cypress公司的 CY7C68013A．56。EP2C8Q208C8是AheraCycloneII系列器 件中的一种．CycloneIIFPGA是基于StratixlI的90nm工艺 生产的低成本FPGA。CycloneIiFPGA的应用主要定位在终 端市场。如消费类电子、计算机、工业和汽车等领域。 作者简介：杨志坤(1985一)，男，四川绵阳人，硕士研究生。研究方向：基于FPGA的嵌入式系统的设计。 一30一 万方数据 杨志坤，等 基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计 EP2C8Q208C8内部有2个锁相环(PLL)和8个全局时钟网 络。8256个逻辑单元(LE)个。36个M4KRAM。18个乘法器 模块，可用∞数138个翻。EP2C8Q208C8具有低成本、高性 能、低功耗和对IP-PBX系统的可扩展性(足够多的I／0接口) 的优点，因此这里选择该器件作为系统的控制器件。 CY7C68013A．56器件是第1个包含USB2．0的集成微控 制器。其内部集成有1个增强型的8051．1个智能USB串行 接口引擎(SIE)．1个USB数据收发器，3个8位I／O、16位地 址线、8．5KBRAM和4KB的FIFO等。增强型805l内核完 全与标准805l兼容。而性能可达到标准805l的3倍以上I．I。 图3为CY7C68013A一56的结构框图。 曦OSB”“”⋯j笠翌．输入I 鲨GPIF士17睦R^M I．1 I』0增强型805l1．k禹蝌 图3 CY7C68013A-56结构框图 CY7C68013A器件在数据传输时利用4KB的nFO，包 含7个端点：EPOIN，0UT．EPIIN．EPiOUT，EP2．EP4．EP6， EP8。其中EPO、EPIIN和EPIOUT是3个“B的缓冲端点， 只能被固件访问．EPo是默认的数据输入输出端121缓存，默 认下作于控制传输．EPIlN和EPIOUT是独立的64B缓存， 可以配置成块传输、中断传输或同步传输。端点2、4、6．8是 大容量高宽带的数据传输端点，可配置为各种带宽以满足实 际需求。端点2、6能配置成每帧成512B或l024B，并可配 置为2、3、4级，则EP2，EP6最大能被配置为4KB的缓存；端 点4、8则能配置为每帧512B的缓存。 3系统软件设计 3．1 USBFirmware设计 由于设计中使用FPGA控制USB设备进行语音电话通 信．所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中 断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准 请求以及厂商自定义请求：中断传输用于实现设备对主机的 唤醒．是唯一的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时 传输用于实现语音数据的双向同步传输。USBFirmware设计 重点是语音的通信段。 CY7C68013A具有PORTS、SlaveFIFO、GPIF共3种工作 模式。PORTS模式是最基本的数据传输方式，其数据传输需 CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是 主机方式，内部主机控制端点FIFO；SlaveFIFO模式是从机 方式。外部控制器，如FPGA、DSP。应用中使用异步FIFO方 式，采用内部48MHz时钟．自动方式．而同件程序的编写则 以Cypress公司提供的周件程序框架为基础，在其初始化函 数中添加自己的配置代码。 在整个系统中。CY7C68013A的固件主要完成以下工作： 初始化USB器件：作为USB接口与主机通信并传输数据；利 用CY7C68013A器件的SlaveFIFO接口控制USB器件和外 部控制器之问的数据传输。凶此嗣件主程序比较复杂。除了 上面的7rD_Init()初始化外。还需要大量函数，但基本结构相 对简单．包括3个过程：USB控制器的初始化；主函数．包括 处理标准设备请求的代码；中断处理，包括处理各种中断的 程序代码。图4为同件主程序流程。 罔4固件程序流程 32USB驱动程序 USB系统软件由主机中的软件和设备固件构成。USB主 机中的软件主要包括USB设备驱动(USBDD)、USB总线驱动 (USBD)和USB主控制器驱动(HCD)甥。 USB设备驱动程序(或客户驱动程序)处于最顶层。它支 持特定设备类的驱动．负责与其对应的USB设备进行通信和 读写控制，实现各个USB设备特殊的功能应用。连接USB设 备的每种类型的功能单元都必须具有客户驱动程序。客户驱 动程序把USB设备看作是一个可被访问的端点的集合，USB 设备可以被控制并与其功能单元通信。USB设备驱动程序通 过加请求包(IRP)向USB总线驱动程序发送请求。这些请 求包将一个给定的传输初始化。这种传输可以来自予一个 USB目标设备或发送到USB设备。 USB总线驱动(USBD)是在主机控制器驱动和USB设备 驱动之间的模块．它对应USB协议的USBD．在Windows系 统中由USBD．SYS模块提供．它是在某一操作系统上对USB 总线和协议提供支持的软件．独立于USB设备和USB设备 驱动，并对它们进行控制和提供统一编程接口。 USB主控制器驱动程序(HCD)处于最底层，它负责对主 机控制器进行抽象和对USB提供低级支持。 3．3PC端的软件设计 PC端的软件设计采用面向对象程序设计．分为核心类 (包括Provider,Dam，Net)和应用类(包括UI，Cal】，Record)。 其中核心类提供对硬件、操作系统和网络环境的支持，应用 类在核心类的基础上提供对用户操作的支(下转第34页) 一31— 万方数据 《电子设计工程)2010年第1期 2．2系统软件设计 该系统设计的接口程序包括单片机通讯设置，USB设备 驱动．以及PC应用等3部分程序．这三者互相配合实现可 靠、快速的数据传输。 I)单片机通讯设置程序单片机程序实际上是完成单片 机对串口的初始化，即对波特率，数据位，校验位。有无奇偶 校验等通信协议的设计及单片机串行通信功能控制器的设 置。该设计以串口参数波特率115200，数据位8，停止位l， 校验位O。 2)USB设备驱动程序在PC机上安装Prolific公司免费 提供的USB设备驱动程序。驱动安装完后．PC系统出现1个 “ProlificUSB-to—SerialCommPort”自动增加一个COM口．如 COM3，COM4等。 3)PC应用程序用户按照传统的串行接口控制方式来 使用该模拟的“COM口”。使用Delphi语言调用RS232的控 件(MSCOMM32)或API函数．实现与单片机的通讯。串口通 讯参数应与单片机所设置参数一致。当设备插入不同的USB 接口时，计算机认为一个新设备．需重新安装设备驱动程序。 当插入计算机不同USB接口时。虚拟的”COM口”不同．因 此，需要计算机程序自动识别是在哪一个串口插入的设备。 3结束语 来说，PC机和单片机均是按照标准的RS232串行通信进行 处理。对于早期设计的串口通讯程序无需霉新设计．就可将 之前采用RS232通讯的产品升级至USB接口．并且设备具 有允许设备热拔．即插即用的功能。同时无需外接供电电源． 便于产品设计和用户使用，扩展产品的使用范围。但这种设 计具有设计简单。开发周期短。原RS232接口设备设计改动 方便的特点。为手持设备的通讯接口设计提供了较好的参考 价值。 参考文献： 【l】马伟．计算机USB系统原理及其主，从机设计【MI．北京：北 京航空航天大学出版社．2004． 『21谢宏，徐雪．EZ—USBFX2接口在生物电信号数据采集系 统中的应用【J】．电子设计工程，2009，17(7)：1-3． 【3】姚渭箐，周伟．基于m232H的USB—RS232转换模块设 计【J1．电子设计工程，2009。17(7)：4一一6． 【4】于波，胡毅，文江涛．基于CP2102的USB接口设计【J】．国 外电子测量技术。2007(3)：39—42． 【51】ProlificTechnologyIne．PL2303DataSheet[EB／OL]．．2004．．http： ／／www．prolific,,corn．twlsupport／files／／IO％20coble肌一．2303X／ Documents／Datasheet／ds_p12303XA_v15E．D【垃 【蜘胡文东，王涛，李晓京，等．计算机多媒体群体心理测量系 统研制IJl．第四军医大学学报，1999。20(3)：225-227． 介绍采用PL2303设计的串口转接USB接口的方法，实【71】TeaxsInstrument，Inc．MSP430MCUDatasheet[EB／OL]．．2006． 现在PC机的USB接口与单片机之间的通信。对产品设计者http：／／focus．ti．com／lit／ddsymlink／msp430f149．眦 ’●p-●■—q、●—呵、t—●qp-_●"叫、●一’■—叫、●斤’■"q、●一卜呻Jp卜h●—叫、●—呻■—叶、‘—’■—叶qp’●●"-十4，十十4—‘’谭一．呻qp-1、●—-1、●—叫、●—1■p-牛●Hq、●—呻—p卜^●—q、●—呻■■-’、●，_ (上接第31页)持。Provider类定义对USB设备的读写操作． 提供读取数据方法(readusb())和写数据方法(writeusb())； Data类包括地址数据(Address)、音频数据(Audio)和控制数 据(Command)的定义。并提供数据的分解方法(Decompose ())和组合方法(Compose())；Net类提供对网络的支持，包括 网络协议的选择和数据的接收与发送。Ul类提供对用户界面 的支持，包括窗口、对话框等，实现基本用户框架与应用入 口；Call类提供通话功能；Record类则提供电话录音功能；根 据不同应用要求，可扩展其他应用类。具体结构如图5所示。 状态 来电状态 0无来电 1 PSTN霹]络->Internet网络 2 Internet网络->PSTN网络 3 Internet网络一>Internet网 ：I量!：堑堡}嘘全丛；[!：圈÷。⋯一：；圃j i {了恧T叠：：：：：：：： -[卫要量孓：：：：二：{ —弧忑订：：：：：：：! 图5 PC服务器端软件框图 4结束语 USB灵活的接口和可编程特性可简化外部硬件的设计． ．．．34--- 提高系统可靠性杩。而USB2．O控制器CY7C68013A也广泛应 用于许多数据传输领域。FPGA已成为通信、计算机、消费类 电子产品等领域的基础器件。这里所介绍的USB设备就是一 个基于FPGA的嵌入式系统．该系统软硬件都具有模块化的 特性，易于改造成其他应用场合的语音控制系统(DAA除 外)。该设计的应用可节省大量的人力、物力。具有较大的推 广意义和使用价值。 参考文献： 【l】张念淮．江浩．USB总线接口开发指南【M】．北京：国防工业 出版社．2001． 【2】谭安菊，龚彬．USB2．O控制器CY7C68013与FPGA接口 的Veri|ogHDL实现【J】．电子工程师。2007，33(7)：52-55,． 【3】王诚，吴继华，范丽珍，等．AheraFPGMCPLD设计基础篇 『llll．北京：人民邮电出版社，2005． 【4】钱峰．EZ一-USBFX2单片机原理、编程及应用【M】．北京：北京 航空工业出版社．2006． 【51】ChrisCanLWindowsWDM设备驱动程序开发指南【M】．北 京：机械工业出版社，2001． f6l蒋金涛，杨鸣．USB2．0控制器EZ·USBFX2的性能特点及 其数据传输实现【J】．计算机工程与应用研究．,2005,41(11)： 94-96． 蓁 万方数据 基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计 作者： 杨志坤， 曾博， 汤国文， YANG Zhi-kun， ZENG Bo， TANG Guo-wen 作者单位： 电子科技大学,电子工程学院,四川,成都,611731 刊名： 电子设计工程 英文刊名： ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING 年，卷(期)： 2010，18(1) 被引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.张念淮.江浩 USB总线接口开发指南 2001 2.谭安菊.龚彬 USB2.0控制器CY7C68013与FPGA接口的Verilog HDL实现[期刊论文]-电子工程师 2007(7) 3.王诚.吴继华.范丽珍 Altera FPGA/CPLD设计基础篇 2005 4.钱峰 EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用 2006 5.Chris Cant Windows WDM设备驱动程序开发指南 2001 6.蒋金涛.杨鸣 USB2.0控制器EZ-USB FX2的性能特点及其数据传输实现 2005(11) 相似文献(10条) 1.期刊论文 郑斌.刘建宏.龚旭阳.黄俊怀 Displayport接口协议在FPGA上的实现 -微电子学2009,39(4) Displayport是视频电子标准协会(VESA)针对数字高清视频音频应用推出的一种串行数字接口,其传输速率高达10.8 Gbp/s.基于Altera公司的 StratixIIGX系列FPGA,实现了接口的接收部分协议,对高速串并转换在FPGA上的实现,分数分频时钟合成给出了解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 2.期刊论文 黄锐.唐继勇.张磊.HUANG Rui.TANG Ji-yong.ZHANG Lei 基于FPGA的多DSP系统接口电路设计 -中国测 试技术2008,34(3) 针对多DSP(数字信号处理器)的数据传输有三种常用接口方式:EMIF,HPI和IdcBSP方式.而采用EMIF接口方式,利用FPCA(现场可编程逻辑门阵列)设计 FIFO的接口电路,将各个DSP的EMIF总线接人FPGA中,可实现多块DSP之间的连接.实验结果表明,这种方式无需外加逻辑器件即可实现高速传送数据通用于 数据块的传送.这种设计已应用于由4片DSP构成的信号处理系统中. 3.学位论文 王作苍 FPGA在IDE数据加密中的应用与研究 2008 随着信息化发展进程的加快，便携式设备存储成本的下降，越来越多的人将大量的个人资料存储在便携式设备上，如移动硬盘和CD-ROM等，谁都不 希望自己在光盘丢失的情况下，而资料却被别人获得。 本文所研究的IDE桥接通道提供两套ATA/ATAPI 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的ATA接口，一个与普通的ATA接口设备相接，如硬盘、CD-ROM等，另一个与PC主板上的IDE接口相 连。系统由FPGA来实现ATA接口协议，从而实现对数据的截获、处理和转发，数据传输支持PIO和Ultra DMA两种模式。系统提供32位的标准总线接口，以 方便客户提供加密模块的嵌入。当用户将自己的加密模块嵌入系统，然后将本系统串在PC和存储设备之间，则能实现对数据的加解密操作。当对介质进 行写操作时，PC发下的数据流被加密后存到介质中，解密时进行反操作。 论文的工作重点主要有以下几个方面的内容：FPGA及Verilog HDL语言的研究，以及通过FPGA实现ATA协议和IDE接口。深入研究ATA协议，分析如何 将密钥模块嵌入系统，重点研究如何用FPGA实现AES加密算法和计算机硬件底层接口协议的方法。详细介绍了Xilinx公司Spartan-3E结构及FPGA的软件流 程图，最终用FPGA构建一个IDE通道和密钥模块接口。 4.期刊论文 张蕴良.金心宇.ZHANG Yun-liang.JIN Xin-yu 基于FPGA的ISDN U接口模块设计 -微电子学与计算机 2007,24(4) 介绍了一种基于FPGA以及MC145572 U接口芯片的ISDN U接口模块设计方法,对硬件电路设计进行了说明,着重介绍了FPGA内部实现,并给出了FPGA编码 在Actel公司的Libero软件上的仿真结果. 5.期刊论文 李君.LI Jun 基于FPGA的PCM数字中继接口硬件设计 -自动化技术与应用2010,29(5) 研究了PCM的基本原理,提出了基于FPGA的PCM数字中继接口的硬件方案,根据该方案,完成了各个单元的具体硬件电路的设计,并以FPGA为开发平台,完 成了所有逻辑模块的设计. 6.期刊论文 张晓峰.张桂才.ZHANG Xiao-feng.ZHANG Gui-cai 光纤陀螺信号处理电路中FPGA与DSP的接口方法研究 -红外与激光工程2006,35(z5) 通常在有FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processor)参与的数据采集处理系统中,正确地解决它们之间的接口是个非 常重要而且必须面对的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .针对闭环消偏光纤陀螺信号处理中既要实现对快速A/D采样数据进行滤波,同时又能保证光纤陀螺能够实现闭环控制以及具有 一定的带宽,以光纤陀螺(FOG)信号滤波处理电路中FPGA和DSP的接口问题为例,探讨了三种不同的接口方案的设计思路、优缺点及其适用情况,考虑到光纤 陀螺信号处理及其滤波电路的具体情况,最后选择利用FPGA内部的FIFO(First In First Out)数据缓冲器实现FPGA与DSP的接口方案,它实现了逻辑芯片 FPGA和数字信号处理器DSP之间无缝连接,大大提高了DSP的使用效率,解决了数据采集和数据处理(数字滤波)之间相冲突的矛盾. 7.期刊论文 万军华.张国云.罗荣辉.王志伟.刘立军.何彪胜.WAN Jun-hua.ZHANG Guo-yun.LUO Rong-hui.WANG Zhi-wei.LIU Li-jun.HE Biao-sheng 基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡设计 -湖南理工学院学报 （自然科学版）2010,23(1) 讨论了一类基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡的设计方法,该方法充分发挥了FPGA和USB的优点,解决了传统数据采集卡的缺陷. 8.期刊论文 吴晓亮.双凯.陈晓晖.Wu Xiaoliang.Shuang Kai.Chen Xiaohui 基于FPGA的数据帧传输接口设计 -电 子测量技术2009,32(5) 介绍了数字音频广播(DAB)发射系统前端部分的设计,系统采用PCI9030作为PCI局部总线的接口芯片,用可编程逻辑器件FPGA和Verilog HDL程序设计 语言完成了接口的硬件控制,实现了将由初始音频数据流和视频数据流的MPEG-2编码构成的TS流,经由PCI接口输入FPGA中完成ETI数据流封装,最后通过 E1接口送入复用器的功能.经测试证明,本设计符合ETIG.730及PCI局部总线协议等传输协议,运行稳定可靠,为PCI接口与BNC接口之间转换提供了一种较好 的解决方案. 9.期刊论文 赵新雨.许忠仁.付贵增.朱文伟 基于FPGA与单片机的SPI接口的实现 -工业仪表与自动化装置 2010,""(2) SPI接口技术是一种高速高效率的串行接口技术,主要用于扩展外设及其数据交换,已经作为一种配置标准.该文在QuartusII开发环境下采用VHDL语言 和在KEIL开发环境下采用C语言实现了FPGA和8051之间的SPI总线接口通信功能,经过仿真、下载调试,验证了设计方案的可行性及有效性. 10.期刊论文 黄钰.郭伟强.金龙旭.HUANG Yu.GUO Wei-qiang.JIN Long-xu 基于FPGA的航天相机控制器接口的设计 -微计算机信息2009,25(8) 本文分析了航天相机控制器的构成与功能,并利用FPGA设计实现了相机控制器的外围接口,包括异步串行通讯接口、计时器接口、步进电机控制器接 口,并给出了仿真结果.程序下载到FPGA芯片中后,控制器工作稳定,可靠,通信数据完全正确. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjgc201001013.aspx 授权使用：浙江工业大学图书馆(wfzjgydx)，授权号：89c4f4ed-8edd-4408-b71a-9ddf01011843 下载时间：2010年8月27日