基于FPGA和LabVIEW的USB高速傳輸系統設計

董淑偉 鄭賓

【摘要】針對大數據量傳輸問題，設計了基于FPGA和Labview的USB高速傳輸系統，使FPGA、USB技術和LabVIEW軟件設計優勢得到了有效的發揮。通過FPGA的控制，高速、高帶寬USB串行接口將數據傳輸到PC終端，在PC終端程序開發采取的LabVIEW軟件為USB傳輸系統提供了便捷性，具有一定的工程實用價值。

【關鍵詞】現場可編程門陣列;通用串行總線;高速傳輸;虛擬儀器

1.引言

數據采集系統中需將大量的數據傳輸給PC機，傳統的RS232串口傳輸速度較慢，不適合大數據量傳輸。USB是一種高效快速、價格低廉、體積小、功耗低、時鐘頻率高、并支持熱拔插的串行通信接口，高速傳輸速率可達到480Mb/s，能夠實現數據的高速傳輸。

2.系統整體設計

系統主要由FPGA主控電路，USB接口電路和上位機部分組成。其中FPGA為Cyclone II系列，主要芯片為EP2C8Q208C8N;USB接口芯片為CY7C68013A，它通過將USB 2.0收發器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051微控制器，以及可編程外設接口集成到一個芯片中。該芯片支持12Mbps全速和480Mbps高速兩種傳輸模式，帶有16KB的片內RAM和4KB的FIFO存儲器。配置有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）。本文選用Slave FIFO模式;上位機主要由Labview來實現。

FPGA與CY7C68013A的信號連接如圖1所示。

圖1 FPGA與CY7C68013A的連接信號圖

3.硬件設計

USB傳輸系統主要包括FPGA控制模塊和USB接口模塊。USB接口模塊主要包括USB芯片、E2PROM、USB外圍接口電路等，其連接如圖2所示。

4.軟件設計

USB傳輸系統涉及USB固件程序、驅動程序、上位機接收程序以及slave FIFO模式下的FPGA邏輯設計。本文著重介紹固件程序設計和上位機接收程序部分。

圖3 固件程序開發流程圖

4.1 固件程序設計

固件程序是USB開發的重要環節，它主要功能包括初始化、輔助硬件完成相應的任務、處理中斷請求、收發數據以及外圍電路控制。CY7C6S013A芯片內置增強型8051單片機，因此可以用KEIL軟件進行固件程序的編寫。

Cypress公司為了方便用戶編程，提供了完整的固件框架和函數庫。用戶只需添加或修改相應的代碼即可完成固件程序的開發，從而提高了開發效率。固件程序開發流程圖如圖3所示。

按功能區分整個固件程序可分為三個部分：（1）固件文件（fw.c），USB芯片的固件程序的核心，一般無需修改，主要用來完成USB外設請求以及協議通信;（2）功能文件（bulkloop.c），為用戶自由開發預留的文件，用戶為實現功能編寫的代碼就寫在這里，同時預留了功能函數并完成中斷響應;（3）描述符文件（dscr.a51），定義了枚舉設備時所需用的各類描述符信息，根據用戶需要進行編寫，包括設備描述符、接口描述符、端點描述符、字符串信息。

主程序的源代碼如下：

void main（void）

{//初始化

Sleep=FALSE;//禁止休眠模式

Rwuen=FALSE;//禁止遠程喚醒

Selfpwr=FALSE;//禁止自供電

GotSUD=FALSE;//清SETUP令牌包來時的標志位

//初始化用戶設備

TD_Init（）;//定向USB描述符

USB_Descriptor（）;

USB_Interrupt（）;//中斷

USB_ReConnect（）;

//任務縣城線程

while（TRUE）//主循環

{//列舉用戶設備

TD_Poll（）;

if（GotSUD）

{SetupCommand（）;

GotSUD = FALSE;/清SETUP標記

}

if （Sleep）//檢查并處理

{if（TD_Suspend（））

{Sleep = FALSE;//清Sleep標記

do

{EZUSB_Susp（）;//空閑狀態處理

}

while（！Rwuen && EZUSB_EXTWAKEUP（））;

EZUSB_Resume（）;

TD_Resume（）;

}

}

}

}

4.2 上位機接收程序設計

上位機是USB的主機，它需要實現的功能就是接收來自存儲在Flash中的測量數據，并保存在PC機中。本文中的上位機程序是使用LabVIEW開發的。

上位機與USB通信靠三步完成：（1）找到并打開設備;（2）與設備通信;（3）關閉設備。其中先將Flash中的數據讀出存在硬盤內，然后在從硬盤讀取數據完成數據的波形顯示，并非邊寫邊讀，這樣減少了內存空間的使用。LaVIEW程序及前面板如圖5所示。

5.總結

本文結合FPGA、USB技術和Labview軟件設計優勢，開發了基于FPGA和LabVIEW的USB高速傳輸系統。通過FPGA的控制，高速、高帶寬USB串行接口將數據傳輸到PC終端，在PC終端程序開發采取的LabVIEW軟件為USB傳輸系統提供了便捷性。

參考文獻

[1]馬向玲，楊輝，王海玲，吳亞男.基于FPGA的多路數據光纖傳輸系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2011，02：363-366.

[2]程海獅，黃玉清.基于FPGA+USB2.0多通道數據采集系統設計[J].西南科技大學學報，2011，01：56-60.

[3]張思杰，趙泰，汪振興，石嶺.基于FPGA的USB接口數據采集系統設計[J].電子技術應用，2011，05：98-100.

[4]張繼軍，劉小平，陶治洲，楊芳，顧適夷，范少池.基于FPGA的遠程USB高速傳輸系統設計[J].艦船電子對抗，2012，05：97-100.

[5]甘建偉，秦付軍，王鵬.基于FPGA的高速多通道數據采集系統設計[J].電子技術應用，2013，04：55-57+61.

[6]袁寶紅，付奎，張德祥.基于FPGA和LabVIEW的USB數據采集與傳輸系統[J]. 儀表技術與傳感器，2013，09：24-27.

[7]唐磊.基于FPGA的USB、Flash控制器設計[D].北京：北京交通大學，2010.

作者簡介：

董淑偉（1989—），女，山東萊陽人，中北大學碩士研究生在讀，研究方向：動態測試與智能儀器。

鄭賓，中北大學教授。