基于FIFO模式的FPGA与 USB2.0通讯接口设计

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  基于FIFO模式的FPGA与 USB2.0通讯接口设计

                                    作者：上海茂晶 杨文达samy@gfgei.com.hk

0 引 言

　　USB(通用串行总线)是英特尔、微软、IBM、康柏等公司1994年联合制定的一种通用串行总线规范，它具有数据传输速度快，成本低，可靠性高，支持即插即用和热插拔等优点，迅速得到广泛应用。

　　在高速的数据采集或传输中，目前使用较多的都是采用USB 2.0接口控制器和FPGA或DSP实现的，本设计在USB 2.0接口芯片FT2232H的同步 FIFO模式下，利用FPGA作为外部主控制器实现和FT2232H 内部的FIFO进行控制，以实现数据的高速传输。该模块可普遍适用于基于USB 2.0接口的高速数据传输或采集中。

　　l 系统硬件模块设计

　　1.1 系统硬件框图

图1中展示了 FIFO方式下FT2232H 和FPGA的典型连接。其中，ADBUS[7..O]为8位双向数据总线OE#用于使能数据总线ADBUS的输出； RD#和WR#可分别作为FIFO的读写选通信号;CLK为同步时钟输出；RXF#为FIFO接受数据标志位为当为low时候可以读取数据；TXE#为 FIFO发送数据标志位当为low时可以写入操作。

1.2 USB 2.0接口芯片FT2232H

1.2.1 FT2232H的结构特点

FT2232H内部结构图如图1所示。FT2232H有2个独立的UART／FIFO控制器，用于控制异步数据、245 FIFO数据、光电隔离(高速串口)或在安装程序命令时控制Bit-Bang模式；USB协议引擎控制和管理UTMI PHY与FIFO之间的接口，负责电源管理和USB协议规范；双端口FIFO TX缓冲区(4KB)存储来自主机PC的数据，并通过多用途的UART，FIFO控制器使用数据；双端口FIFO RX缓冲区(4KB)存储来自多用途UART/FOFO控制器的数据，然后再将数据送至主机；复位发生器模块上电时为设备内部电路提供可靠的供电复位。 RESETn输入引脚允许外部设备重置FT2232H。如果不使用RESETn，应将其连接到VCCIO(+3．3 V)；独立波特率发生器提供×16或×10的时钟信号给UART，通过1个14位比例因子和4个寄存位提供最佳的波特率调谐，决定UART可编程设置的波特率；+1．8 VLDO稳压器为系统核心，为USB收发器模块提供+1．8 V电压，其输入(VREGIN)必须接+3．3 v外接电源。VREGIN还需外接一只滤波电容器：通用收发器宏单元接口(UTMI)物理层为USBTX／RX数据提供全速／高速SERDES (serialise-deserialise劝能，还可提供时钟；当不使用外部E2PROM时，FT2232H默认为一个USB到双串口设备，添加一个外部93C46(93C56或93C66)E2PROM使每个器件的通道独立配置为一个串行UART(RS232)模式，并行FIFO(245)模式或高速串口(光电隔离)。外部E2PROM也可用于存储FT223-2H的USB VID，PID，设备驱动号和设备说明文字。

1.2.2 FT2232H的工作模式

　　FT2232H有Ports模式、245FIFO、bit-bang和MPSSE等接口方式。

Ports模式是一种最基本的数据传输方式，其数据传输主要由固件程序完成，需要CPU的参与，因此数据传输速率比较低，适用于传输速率要求不高的场合。

245FIFO模式可以分为异步和同步2种方式，可以通过如FPGA等象普通FIFO一样对FT2232H缓冲FIFO进行读写，FT2232H内部FIFO FIFO提供所需的时序信号、握手信号(满、空等)和输出使能等。这里就是在同步FIFO模式下实现USB 2.O接口和FPGA的数据通信。

可编程接口bit-bang是主机方式，bit-bang作为内部主机控制端点，可以软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8／16 b接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，非常灵活。

MPSSE模式是FTDI公司的最大亮点之一。FT2232H内部MPSSE单元可以模拟多种串行协议，从而方便实现USB转换为其他协议，包括SPI,JTAG,I2C等接口，广泛应用于各种领域。

　　2 系统软件模块设计

　　2.1 USB固件程序设计

应用中采用同步FIFO方式，使用内部输出60 MHz时钟，固件程序采用FTDI公司提供的固件程序D2XX框架，在其初始化函数中添加了用户配置代码。该设计中同步自动FIFO数据传输的初始化代码如下：#include <windows.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#pragma comment(lib, "FTD2XX.lib")

#include "FTD2XX.h"

int main()

{

 //FT_Open,FT_Close

 FT_HANDLE ftHandle;

 FT_STATUS ftStatus;

 //FT_EE_Read

 FT_PROGRAM_DATA ftData;

 char ManufacturerBuf[32];

 char ManufacturerIdBuf[16];

 char DescriptionBuf[64];

 char SerialNumberBuf[16];

 //FT_SetBitMode

 UCHAR Mask = 0xFF; //UCHAR ModeAsync= 0x01;

 UCHAR ModeSync = 0x40;//FT_Write

 DWORD BytesWritten;

 unsigned char TxBuffer[65536];//FT_GetStatus

 DWORD TxBytes;

 DWORD EventDWord;//FT_Read

 unsigned char RxBuffer[262144];

 unsigned char RxBuffer1[1];

 unsigned char RxBuffer2[2];

 unsigned char flag[32];

 unsigned char flag1;

 unsigned char flag2;

 DWORD RxCount = 0;

 DWORD RxBytes = 10;

 DWORD BytesReceived;

 int i,j,m,n;

 FILE *fp;

 RxBuffer2[0]=0;

 RxBuffer2[1]=1;

 flag1=85;

 flag2=170;

 flag[0]=flag1;

 flag[1]=flag1;

 for(i=2;i<32;i=i+2)

  flag=flag1;