基于FIFO寫數據方式的USB接口信號發生器設計

陶彥輝，劉克毅

（新疆工程學院 機械工程系，新疆 烏魯木齊 830000）

1 FIFO寫數據方式

FIFO寫數據方式是重要的GPIF可編程接口數據模式傳輸方法。GPIF為內部通用可編程接口，其對外部FIFO或內部同步FIFO控制方法采用主機控制，即采用內部集成的控制邏輯實現對USB端點FIFO的控制。GPIF模式使用外部同步FIFO芯片時，數據傳輸速率達480Mb/s；GPIF模式使用USB自帶的FIFO時，其傳輸速率也可達96Mb/s，所以GPIF模式極適用于高速數據傳輸。GPIF可編程接口模式內部端點的數據傳輸方式有：單字節讀、寫數據傳輸和FIFO讀、寫數據數據傳輸［1］。

FIFO寫數據方式是通過USB芯片主機直接傳輸數據到芯片端點的數據緩沖區EPxFIFOBUF邏輯單元之中，繼而再通過程序寫入外部FIFO或內部FIFO邏輯。USB芯片FIFO寫數據方式如圖1所示。GPIF可編程接口模式中的FIFO寫數據方式是通過時鐘觸發實現動作的，FIFO寫數據方式觸發時序圖如圖2所示。寫波形圖程序初始化設定GPIFADR

圖1 USB芯片FIFO寫數據方式

值為0x0000，隨著IFCLK時鐘的動作，FIFO邏輯中存儲的信息將按時鐘動作次序寫入數據總線之中，同時數據指針將伴隨著時鐘的動作而自動增加，這個過程不斷重復以便完成數據的連續寫入。當FIFO邏輯中的數據寫完后，GPIF可編程接口將會得到一個觸發指令，使其處于空閑狀態［2］。

2 FIFO寫數據方式在USB接口波形發生器中的應用

2.1 硬件設計

硬件部分的主控芯片采用EZ－USB系列USB芯片CY7C68013，128腳封裝，數據緩存使用CY7C68013自帶的同步FIFO邏輯。D/A轉換芯片使用8位DAC的MAX5384，參考電壓為5V，USB接口供電。晶振選用24MHz有源晶振。

圖2 FIFO寫數據方式觸發時序圖

主控USB芯片在以FIFO寫數據方式工作時必須采用GPIF模式接法，即需要連接USB芯片的GPIF可編程接口引腳。GPIF可編程接口的引腳FD0與模數轉換模塊MAX5384的引腳DIN連通；USB芯片內部同步FIFO邏輯中的數據將通過引腳FD0輸送至MAX5384。GPIF可編程接口的引腳FIFOADR1與引腳CS連通，當FIFOADR1電壓由低電平至高電平上升時，數模轉換開始［3］。FIFO寫數據方式信號發生部分電路連接如圖3所示。

2.2 固件程序

USB芯片固件程序分為基本固件程序及GPIF波形圖固件程序。基本固件程序由Keil uVision3編寫，GPIF波形圖固件程序由USB芯片的波形圖設計軟件GPIFDesigner編寫［4］。

2.2.1 基本固件程序

FIFO寫數據方式的基本固件程序核心部分是將數據由內部同步FIFO中寫入到外部DA5384上，其主要代碼如下：

圖3 FIFO寫數據方式信號發生部分電路連接

2.2.2 GPIF波形圖固件程序

GPIF波形圖固件程序的設計需按電路圖中的USB芯片和D/A轉換芯片連接方式完成軟連接之后才能開始，GPIF Designer實現CY7C68013和MAX5384接口軟連接。在GPIF Designer中利用FIFOWr項目完成FIFO寫波形圖固件程序。

2.3 上位機應用程序

上位機應用程序由VC＋＋開發，在VC＋＋程序中調用cyioctl控制函數的UsbOpenDriver（＆hDevice，DeviceName）打開USB設備接口端口，讀取數據，并對數據進行處理。信號發生器程序有兩個模塊：信號產生模塊和信號發送模塊。信號產生模塊主要是利用程序產生正、反鋸齒形信號，正、余弦信號，方波信號和隨機信號等。信號發送模塊是將程序產生的信號數據發送至USB芯片。

2.3.1 信號產生模塊

信號產生模塊就是生成信號數據，信號數據由公式生成。其中方波信號生成程序的主要代碼如下：

2.3.2 信號發送模塊

信號發送模塊的作用是將信號產生模塊產生的數據發送至USB芯片中。信號發送模塊主要是利用cyioctl控制函數方法［5］中的 DeviceIoControl（）函數來完成，主要程序代碼如下：

3 結束語

采用示波器調試后，該虛擬儀器基本實現了電壓信號的發生，利用USB接頭電源虛擬儀器可以按設計要求發出正、反鋸齒形信號，正、余弦信號，方波信號和隨機信號等。虛擬儀器輸出端輸出的信號電壓設計幅度值為0V～3.2V，輸出的信號電壓設計頻率為6MHz。但設計中也存在一些缺陷，硬件部分沒有考慮信號干擾問題，導致示波器調試時出現信號變形，產生信號的參數不可調，不能自定義信號，后續將在設計中增加自定義參數模塊。

［1］陳瑩.基于USB的數據采集系統研究與設計［D］.西安：西安科技大學，2011：10－12.

［2］錢峰.EZ－USB FX2單片機原理、編程及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［3］仝瑞普.基于slave FIFO模式USB數據傳輸系統設計與實現［D］.南京：南京理工大學，2008：19－26.

［4］兀穎.基于 USB 3.0的數據采集系統設計［D］.西安：中國科學院大學，2013：39－45.

［5］薛園園.USB應用開發技術大全［M］.北京：人民郵電出版社，2007.