基于ＵＳＢ ２．０的通用分析控制平臺

摘 要：提出USB 2.0結合FPGA及LabView軟件形成的一個功能強大的固定平臺，用于電路系統的控制和數據分析。一個完整電路系統的控制和數據分析功能是不可或缺的，通過把這部分功能的硬件電路和軟件框架“固定化”，可以實現通用的電路系統的控制與分析，提高電路系統的開發效率，具有十分廣闊的應用前景。

關鍵詞：USB 2.0；CY7C68013；FPGA；LabView

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-182-03

Universal Analysis and Control PlatformBased on USB 2.0

WU Shuai，YANG Afeng，LIU Kai，XU Xin

(National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

Abstract：A stable platform with powerful functions composed by USB 2.0，FPGA and LabView software is put forward，which is designed for the control and analysis of a circuit system.A completely circuit system always contain the control and analysis part.To fixup these parts can realize universal circuit control and analysis，it can also improve work efficiency，and has wide application foreground.

Keywords：USB 2.0;CY7C68013;FPGA;LabView

現代的電路系統功能要求越來越高，設計越來越復雜。傳統的系統在使用中存在一些弊端，電路面積龐大，中斷和I/ O地址資源有限、擴展性差、系統升級受限。通用串行總線USB (Universal Serial Bus) 加上FPGA，并配合LabView的分析控制平臺，不僅可以解決以上的問題，而且使用非常靈活。實現了低成本、小體積、攜帶方便、可靠性高、易擴展、系統升級方便的通用分析控制平臺。本文以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作為USB 2.0的控制器，加上Xilinx公司的FPGA，配合LabView軟件的設計開發符合USB 2.0標準的通用分析控制平臺。

1 系統硬件組成

基于USB 2.0的通用分析控制平臺系統硬件組成非常簡單，主要包括：FPGA和USB 控制器。用戶可以根據功能要求設計功能擴展模塊，其硬件總體結構如圖1 所示。

1.1 系統基本操作過程

首先，加電后FPGA處于Reset狀態。然后，通過LabView控制平臺，給USB控制芯片下載固件程序，FPGA開始工作。其次，主機給FX2 芯片一個控制命令包，FX2 芯片把這個控制命令包發送給FPGA，FPGA對這個命令包進行解析，并根據解析命令控制各個功能模塊。最后，各個功能模塊的運行參數傳給FPGA打包，再轉發給USB控制器，傳給LabView控制平臺，并對數據包解析后對參數分析顯示。這樣一個控制過程可以用于通用的系統控制，系統復雜度的延伸，可以通過增加命令字的位寬來延伸；功能模塊的擴展可以通過命令包的長度進行擴展。因此，這個平臺可以完成非常復雜的系統控制與數據分析。

圖1 系統硬件框圖

1.2 主要芯片介紹

USB 1.1受到速度限制(最快12 Mb/s)，而USB 2.0的傳輸率可以最高達480 Mb/s，因此USB控制芯片選擇CY7C68013，他是Cypress公司的FX2系列產品之一，提供對USB 2.0的完整解決方案，可以滿足大多數的數據傳輸要求。該芯片包括帶8 kB片內RAM的高速CPU，16位并行地址總線+8位數據總線、I2C總線、4 kB FIFO存儲器以及通用可編程接口( GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB 2.0收發器。在固件程序的編寫上，與8051系列單片機兼容，且速度是標準8051的3～5倍。CY7C68013與外設有3種接口模式：端口模式、可編程接口GPIF控制器模式和從屬FIFO模式。此系統采用slave FIFO的模式，結構圖如圖2所示：

圖2 CY7C68013結構圖

FPGA芯片選擇Xilinx公司的Virtex-4（當然也可以用比較便宜的Spartan系列），選擇Virtex-4系列芯片可以滿足大多數高性能的系統設計，因為他有靈活的時鐘、大容量的增強型存儲空間和622 Mb/s~6.5 Gb/s RocketIO收發器等高性能的資源可以使用。

1.3 FPGA與CY7C68013的接口電路

此平臺將CY7C68013設置成slave FIFO模式，用FPGA操作比較方便。在固件程序中將4 kB的FIFO設置成2個獨立的FIFO：Endpoint2（in）和Endpoint6（out）分別用于數據的收發。接口電路如圖3所示：

圖3 FPGA與CY7C68013的接口電路框圖

2 系統軟件組成

由于FPGA、USB固件、LabView控制軟件都采用可編程的模式，所以軟件設計是這個平臺的核心。系統軟件包含3個部分：FPGA對USB芯片的控制和功能擴展程序；USB的固件程序；驅動程序和LabView控制平臺程序。

2.1 FPGA對USB芯片的控制和功能擴展程序

FPGA對USB芯片的控制程序是在硬件電路連接的基礎上進行控制的。操作方法：首先，FPGA設定好USB芯片的工作時鐘usb_fclk（5～48 MHz）。其次，根據mode_ctrl選擇工作模式，mode_ctrl為高時進入讀數模式，mode_ctrl為低時進入寫數模式，讀/寫的同時對數據進行解析或打包。最后，在讀/寫的過程中，usb_slcs恒定設為低，根據USB的空滿信號，對usb_rd和 usb_wr進行操作。操作流程如圖4所示：

圖4 程序操作流程

2.2 固件程序編寫

Cypress公司為CY7C68013 提供一個開發框架，可以在KEIL C51 環境下開發。由于開發框架的引入，從而大大縮短用戶的研發周期。該框架由以下2部分組成：

(1)fw.c 中包含了程序框架的main函數，管理整個51內核的運行，因為Cypress對這個部分的功能進行精心劃分，一般是不用改動的。

(2)用戶必須將tcxmaster.c實例化，他負責系統周邊器件的互聯。固件的設計主要針對這個文件，用戶必須根據自己系統的需要，實例化這個文件。對于這個文件的實例化，主要是設置芯片內部的寄存器狀態字，這個平臺主要涉及到以下幾個寄存器：CPUCS，IFCONFIG，EP4CFG，EP2FIFOCFG，EP6FIFOCFG。將CPU的時鐘頻率設置成48 MHz，將工作模式設置成slave FIFO模式，采用外時鐘同步，把FIFO分成Endpoint2（in）和Endpoint6（out），把數據位設置成16 b，把FIFO傳輸設置成bulk塊傳輸模式。將PA1（mode_ctrl）設置成輸出使能，通過LabView軟件控制平臺控制mode_trl的模式（1為發送，0為接收），通過管腳mode_ctrl控制FPGA的讀/寫工作模式。

2.3驅動程序和LabView控制平臺程序

系統的驅動程序可以采用FX2通用的驅動程序，安裝Cypress的EZ-USB ctr panel調試程序，就可以了。也可以自己編寫，采用Windows 2000 DDK編寫，控制USB接口的工作。高級應用程序建立在驅動程序之上。

控制平臺程序，選用VC++ 6.0編寫核心算法，生成DLL動態鏈接庫，供LabView編程平臺調用，用LabView的開發環境來開發應用程序，兩者協同使用，可以充分發揮各自的優點，大大提高工作效率。PC端程序以驅動程序為橋梁，對USB設備進行命令控制，處理USB設備傳回的數據，例如波形顯示，頻譜分析等，具體流程如圖5所示。開發者可以依據自己的實際需求，制作一個USB 控制的控件或數據包，在編寫應用程序時連接或嵌入到應用程序中。程序思路：首先，上電加載固件程序。其次，選擇進入in模式和out模式。最后，在in模式中對數據進行解析分析，在out模式中對數據進行打包。

圖5 PC端控制程序流程

對于數據包的格式，不同的應用可以有不同的定義方式，在這里介紹一種簡單的數據包格式：假設控制命令字都是16 b的位寬，而實際應用中只用到低14 b。可以把所有命令字的高2位設定為0，對這一串命令字加包頭包尾，便可以組成一個命令包，包頭包尾要求高2位必需為1以區別于命令字，比如：16進制的AABB，CCDD，EEDD，如圖6所示。

3 結 語

這套平臺具有非常優秀的通用性，而且可以滿足大多數高性能的系統要求?？梢愿鶕脩舻男枰獙δ苣K做出相應的修改，適用面非常廣泛，而硬件和軟件都有固定的框架。不僅可以用簡單的硬件實現強大的功能，而且可以大大縮短開發周期。因此，把這套系統整個框架固定下來是一件非常有意義的事情。例如，把功能模塊改成A/D模數轉換器，便可以實現多通道的數據采集、處理、分析、存儲與回放。另外，USB 2.0的速率可以滿足視頻圖像的傳輸要求，將功能模塊改成視頻采集卡，就可以實現多路視頻監控與控制。將功能模塊改為溫度傳感器，就可以實現工業多路溫控檢測系統等。

圖6 一種命令包格式

參 考 文 獻

［1］Cypress公司.CY7C68013 DataSheet[EB/OL].Http://www.cypress.com.2006.

［2］Xilinx公司.Virtex-4 DataSheet[EB/OL].Http://www.xilinx.com.2007.

作者簡介 吳 帥 男，1982年出生，國防科學技術大學在讀碩士研究生，主要從事嵌入式系統FPGA的應用與研究工作。

楊阿鋒 男，1983年出生，國防科學技術大學在讀碩士研究生。主要從事嵌入式系統虛擬儀器軟件研究。

劉 凱 男，1982年出生，國防科學技術大學講師。主要從事嵌入式系統方面的研究和教學工作。

徐 欣 男，1975年出生，國防科學技術大學副教授。主要從事嵌入式系統方面的研究和教學工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。