slaveFIFO模式下USB和FPGA的數據通信

周瑩 鄒連英

【摘要】 本文介紹了基于USB2.0的EZ-USB FX2系列接口芯片之一CY7C68013，為解決PC與FPGA的高速數據傳輸，利用芯片的SlaveFIFO主從模式將CIS傳感器采集的紙幣數據準確無損地傳給PC機，利用verilog HDL語言在FPGA中產生相應的控制信號，最終實現對數據的快速傳輸，在上位機得到CIS采集的清晰的紙幣畫面。

【關鍵詞】 FPGA CY7C68013 SlaveFIFO模式 USB 紙幣圖像數據

一、引言

USB全稱為通用串行總線，是一種作為外圍設備與計算機之間通信的標準接口，具有可熱插拔、即插即用、快速、雙向、以及價格低廉等特性，獲得了越來越多用戶的接受。本文使用支持USB2.0協議的CY7C68013接口芯片，作為FPGA與PC之間的傳輸接口。

二、系統總設計

本文利用FPGA芯片作為系統的邏輯控制核心，控制CIS傳感器采集紙幣數據，并通過A/D將數字信號最終存入SDRAM。USB接口與上位機通信，只需將SDRAM中的數據通過USB傳輸到上位機顯示。整體設計如圖1所示：

2.1 USB枚舉過程

當集線器端口懸空時，被電阻下拉，當設備插入到集線器時，接了上拉電阻那條數據線的電壓對集線器來說，是一個高電平信號，集線器檢測到此狀態后，報告給USB主控制器，此時便檢測到設備。USB的枚舉過程是主機獲取USB設備信息的過程。

（1）USB主機檢測到有設備插入后對其復位，使用缺省地址發送獲取設備描述符的標準請求，主機獲取到一個數據包的設備描述符并確認無誤后，開始進入設置地址階段。（2）USB主機向缺省地址發送設置地址的請求，設備受到該請求后，直接進入到等待主機輸入令牌包，主機確認收到后發送ACK，設備收到ACK之后開始啟用新地址。以后主機就通過這個唯一的地址訪問該設備。（3）主機使用新地址再次獲取配置描述符。枚舉完成。

2.2 USB批量傳輸

本文設備和主機的數據傳輸采用批量傳輸，批量傳輸由建立包、數據包、握手包構成事務。用在數據量大，對數據的實時性要求不高的場合。傳輸過程如圖2所示：

2.3 系統硬件結構

本文采用了USB的slaveFIFO模式，利用FPGA產生CY7C68013的控制信號。USB與FPGA的接口信號FLAGB、FLAGC用來指示FIFO的空滿狀態，SLOE、SLRD、SLWR信號分別為輸出使能信號、讀寫控制信號，FIFOADD[1：0]的4個位用于選擇芯片內部的4個緩沖區之一。FD[15：0]為雙向數據端口。

三、軟件設計

系統的軟件設計包括三部分：FPGA控制器的verilog程序，USB的固件程序、上位機的控制程序。

3.1 同步SlaveFIFO寫的狀態機如下

IDLE：空閑，此時寫事件如果發生，轉入狀態1；

狀態1：觸發FIFOADD[1：0]指向IN FIFO，轉向狀態2；

狀態2：如果FIFO滿，則保持本狀態，否則轉向狀態3；

狀態3：驅動數據到總線上，觸發SLWR有效，轉向狀態4；

狀態4：若還有數據寫，則轉向狀態2，否則轉向IDLE；

3.2 USB的固件程序

USB固件是運行在CY7C68013芯片中的代碼，只有將固件程序完整的下載入芯片中，芯片才可以被外圍信號控制。SlaveFIFO模式中，USB內嵌的8051固件的功能只是配置SlaveFIFO相關的寄存器以及控制USB何時工作在SlaveFIFO模式下。一旦8051固件將相關的寄存器配置完畢，FPGA即可按照SlaveFIFO的傳輸時序，高速的與主機進行通訊，而在通訊過程中不需要固件的參與。在固件程序中，TD_Init函數只會在USB啟動后調用一次。在這個函數里添加自己的初始化代碼，也就是傳輸數據前要處理的，例如USB工作模式、CPU時鐘頻率、端點選擇、端點傳輸方向、FIFO大小配置等。TD_Poll函數就是用戶調度程序，USB會在空閑的時候反復調用該函數，所以我們把自己需要反復執行的代碼放在這里。本文在初始化函數TD_Poll中，改動的部分如下：

Void TD_Init（void）

{...

IFCONFIG = 0x03；// 設置外部時鐘源、同步傳輸、slave fifo模式

EP2CFG = 0xE2；//2端點IN、批量傳輸、512字節雙緩沖

EP6CFG = 0xE2；//2端點IN、批量傳輸、512字節雙緩沖

AUTOPTRSETUP |= 0x01 //使用自動指針，使用自動指針

....

}

3.3 上位機應用程序設計

上位機應用程序的作用就是提供一個人機交互的顯示界面，體現系統的運行狀態。這里采用MicrosoftVisual C++ 6.0 進行上位機應用程序的設計，程序中采用CYAPI 控制函數類。CyAPI 控制函數類為EZ-USB FX2LP系列USB接口芯片提供了十分精細的控制接口。在使用Cypress 公司提供的驅動程序基礎上，只需在主機程序中加入頭文件CyAPI.h 和庫文件CyAPI.lib 即可調用相應的控制函數。

四、測試結果

主機與設備之間通過USB的數據傳輸，實現對SDRAM中紙幣數據的上位機圖像顯示。顯示如圖3所示：

五、結束語

本文主要利用USB與FPGA的通信進行紙幣數據采集的驗證，能高速的將CIS采集的數據在上位機上進行顯示，便于觀察與調試。USB通信與其他串口擴展技術相比具有較大的優越性。其設置比較靈活，應用受限制少，在各種分布式控制領域部有推廣使用的價值。