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通用串行總線（USB）具有快速、雙向、大批量傳輸、廉價以及可實現熱插拔等優點，Cypress公司的FX2系列芯片之一CY7C68013是最早符合USB2.0標準的微控制器，集成了符合USB2.0的收發器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051內核以及可編程的外圍接口，實現基于USB2.0的接口數據通信，CY7C68013可配置成3種不同的接口模式；Ports（端口模式）、GPIF Master（可編程接口模式）和Slave FIFO（主從模式），其中，后兩種模式利用其內部集成的可以獨立于微處理器而自動處理USB事務的硬件（USB核），數據的傳輸通過執行USB本身的協議來完成，微處理器可不參與數據傳輸，從而使數據的傳輸速率大大地提高，同時也簡化了固件代碼的編寫。后兩種方式由于克服了微處理器這個帶寬"瓶頸"，因而廣泛應用于大批量的數據傳輸，如圖像、視頻等信號的采集。 而對前一種Ports（端口模式），文獻中介紹較少，作為一種最基本的數據傳輸方式，其數據傳輸主要由固件程序完成，需要CPU的參與，因此數據傳輸速率比較低，適用于傳輸速率要求不高的場合，而且由于FX2內部集成有8051內核，對一個剛從單片機的開發過渡到USB開發的工程人員來說，也不失是一種有效的數據傳輸方式，現以一個工程開發的實例來詳細說明一下在Ports模式下如何實現數據一雙向傳輸。 1 設計要求 主機通過USB接口以4KB/s的速率分別向兩個通道發送數據序列，并由外設的D/A轉換器完成數據的轉換，同時，由外部的兩個A/D轉換器以400KB/s的采樣率完成數據的采集，采集后的數字信號也經USB接口傳送至主機存儲，其中，USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013，FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，圖1為其數據的多路傳輸系統框圖。 2 USB 數據多路傳輸硬件 2.1 EZ-USB FX2 CY7C68013 EZ-USB FX2 CY7C68013支持USB2.0數據傳輸，其內部結構及功能在其他文獻已有詳細的介紹，現針對此芯片在本電路的作用進行簡要的說明，在設計中主要利用CY7C68013的Ports接口模式完成多路數據的傳輸，USB和FPGA之間數據和狀態的傳輸由CY7C68013的IOA接口完成，IOB接口中的IOB0-IOB2口線作為USB和FPGA之間的控制線。CY7C68013內部的EP2端口設置為512字節雙緩沖、OUT、塊傳輸，作為主機向外設發送數據的緩沖區；EP6端口設置為512字節雙緩沖，IN、塊傳輸，作為外設向數據傳送數據的緩沖區。 2.2 FPGA芯片EP1C6Q240C8 FPGA采用Altera公司的Cyclone 芯片EP1C6Q240C8。在這里FPGA的作用有3個：其一，給兩路D/A轉通道各分配兩個128×8位的RAM區，作為從主機向外設發送數據的緩存。其二、給兩路A/D轉換通道各分配兩個512×8位的RAM區，作為從外設向主機傳送數據的緩存，由于兩路數據的傳輸和采集共用一個8位數據總線，因此，數據總線要針對不同的接收和發送來回切換，因而每個通道的兩路分別采用兩個RAM塊，起到雙緩沖作為，以防傳輸時數據"溢出"的。其三，由于數據總線要針對不同通道來回切換，控制切換的過程由狀態寄存器來完成，因此，要在FPGA內部設置一個狀態寄存器，所設置的狀態寄存器僅包含兩位，分別標識兩個通道的數據RAM的"滿"或"空"的狀態，以確定當前應該為哪一個通道發送或接收數據。 3 通信協議的制定 采用CY7C68013的Ports模式實現數據通信，與FIFO和GPIF模式不同，后兩種模式在數據傳輸方面主要由USB核完成，所需的控制信號由CY7C68013自身來提供。而對于Ports模式，控制信號沒有專用的口線，那么就必須用其他通用的I/O接口來完成，在此，采用IOB0-IOB2作為USB和FPGA之間的控制線，由于自定義的3條線是通用口線，沒有實際的意義，因此在USB和FPGA之間首先要制定兩者的通信協議,即給這3條口線賦以實際的功能。 ALE（IOB0）：例如ALE的上升沿，通過IOA端口向FPGA傳送控制指令，例如，當IOA=01H時，表示系統開始工作，A/D和D/A轉換器開始啟動。當IOA=88H時，表示轉換結束，FPGA將不再接收或發送數據，當IOA=02H時，表示CY7C68013將讀取FPGA內狀態寄存器的內容，由讀取兩狀態標志位的0或1，來判斷兩個通道內的4個數據緩沖器的"滿"或"空"狀態，若D/A通道的任一個數據緩沖區為"空",則由FPGA向狀態寄存器的第一個狀態標志位內填1；否則填0；同理，若A/D通道的任一個數據緩沖區為"滿"，則由FPGA向狀態寄存器的第二個狀態標志位內填1；否則填0；當IOA=03H時，表示主機將通過USB向D/A通道發送轉換數據，每次發送256個字節，前128字節為D/A轉換的1通道，后128字節為2通道，當IOA=04H時，表示主機將要接收由A/D通道傳送來的數據。 RD（IOB1）：利用RD的上升沿通過IOA端口讀取D/A轉換器轉換來的數據。 WR（IOB2）：利用WR的上升沿通過IOA端口向A/D轉換器發送由主機傳送來的數據。 4 軟件的實現 USB與FPGA在Ports模式下數據的傳輸，由于是由CY7C68013內部的CPU核來實現的，因此，對固件程序的編寫顯得比較重要，總的來說，固件程序的編寫有兩種方式：一是由于CY7C68013的內部集成有增強型8051內核，對熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用會匯編語言編寫高效的固件代碼；二是Cypress公司EZ-USB FX2系列配套有現成的固件程序框架函數，用戶需要時，只需添加相應的用戶程序即可。當然，用戶程序中的數據通信的實現也就是如何完成通信協議的過程。 在此，采用后者來完成CY7C68013和FPGA的數據通信，實現數據通信功能的部分軟件代碼如下（以下代碼均可寫在框架函數void TD_Poll（void）內）： 5 總結 CY7C68013和FPGA的數據通信中，采用基本的Ports接口模式，利用自動指針方法，通過數字示波器的觀察，完成1KB的傳送，大約需要750μs。與另外兩種模式相比，雖然數據傳輸的速度較低，但作為一種數據傳輸模式，尤其對剛從單片機開發過渡到USB開發的工程人員來說，也不失為一種有效的開發方式。 |
