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陕西快乐十分奖励:基于FT245BM和FPGA的USB接口設計

更新日期:2008-01-14  作者:  來源:光學精密機械網(www.uvcfk.com)收集整理

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來源:微計算機信息   作者:孫立輝 劉院英 和志強


摘要 介紹了USB 協議芯片FT245BM的工作原理,設計了FT245BM與FPGA的接口電路,給出了FPGA發送和接收數據幀狀態機的Verilog語言的描述,并介紹了PC機軟件的設計方法。該電路被成功地應用到光纖陀螺多路測試系統中,簡化了電路設計,提高了測試效率。該設計具有很強的通用性。
關鍵字 通用串行總線(USB)  FT245BM   FPGA   狀態機


一、引言


USB總線因其傳輸速度快、占用資源少以及真正的即插即用等諸多優點,受到了廣大開發者的青睞,已經成為很多計算機設備的一種基本配置。目前被廣泛采用的USB設備開發方案主要有以下兩種(1)利用USB設備端接口芯片加微控制器結構。如國內用的比較多的Philips公司的PDIUSBD12/ISP1581等。(2)采用USB單片機。采用這兩種方案要求開發者徹底理解USB協議的細節,并編寫出固件程序。固件的運行要占用微控制器的時間和空間資源,實際通信效率不會很高。也有人用FPGA實現固件的功能,但這種方案開發和調試的難度很大。本人在實際工作中用FPGA外部直接連接一片USB協議芯片FT245BM,實現了FPGA與PC機的USB通信,該方法不用微控制器,減少了元器件的個數,并且占用FPGA資源很少,FPGA仍然可以實現其他邏輯功能,系統設計的靈活性很大。


二、FT245BM簡介


FT245BM由FTDI (Future Technology Devices Int. Ltd.)公司推出,該芯片的主要功能是進行USB和并行I/O口之間的協議轉換。芯片一方面可從主機通過USB串行總線接收數據,并將其轉換為并行I/O口的數據流格式發送給外設;另一方面外設可通過并行I/O口將數據轉換為USB串行數據格式傳回主機。中間的轉換工作全部由芯片自動完成,開發者無須考慮固件的設計。該芯片提供了通用的并行I/O口方便與微控制器、FPGA或其他外設接口。在PC機端安裝了FTDI公司提供的驅動程序,只需熟悉簡單的VB、VC編程,就可很容易地進行上位機軟件開發。


關于FT245BM的內部結構及詳細地引腳介紹讀者可以參考其他相關資料,在此僅對與本設計相關的內容作一個介紹。FT245BM內含兩個FIFO數據緩沖區,一個是128字節的接收緩沖區,另一個是384字節的發送緩沖區。它們用作USB數據與并行I/O口數據的交換緩沖區。FIFO實現與外界(微控制器、FPGA或其它器件)的接口,主要通過8根數據線D0~D7、讀寫控制線RD#和WR#以及FIFO發送緩沖區空標志TXE#和FIFO接收緩沖區非空標志RXF#來完成數據交互。TXE#為低表示當前FIFO發送緩沖區為空,為高表示當前FIFO發送緩沖區滿或者正在存儲前一個字節,禁止向緩沖區中寫數據。RXF#為低表示當前FIFO的接收緩沖區非空。RD#信號由低變高將從FIFO緩沖區中讀取數據。當RD#變低時將數據送到數據總線。RXF#為高不能從FIFO讀數據。讀寫時序見圖1和圖2。




 



圖2 寫數據時序


三、           FT245BMFPGA接口設計


3.1 硬件電路設計


    圖3是FT245BM的USB與FPGA的接口電路,FPGA選用ALTERA EPF1K50TC-144,其中D0~D7是FT245BM與FPGA交換數據的數據總線,USB_RD#、USB_WR、USB_TXE#、USB_RXF#是相關的控制總線。




圖3  FT245BM與FPGA的接口電路


3.2   FPGA收發狀態機設計


   下面是用Verilog HDL 描述的FPGA收發狀態機,為便于讀者理解FPGA對FT245BM的讀寫過程,本文將接收和發送狀態機分開給出。當然在實際應用中也可以將接收和發送操作合成一個狀態機來實現。


3.2.1 接收狀態機


    接收狀態機主要功能是查詢USB_RXF引腳的狀態,當檢測到USB_RXF變低,即可獲知上位機已經將數據寫入到FT245BM的緩沖區,然后產生讀控制時序,將FT245BM接收緩沖區中的數據讀入到FPGA的緩沖區。重復以上步驟直到將一幀數據讀完,然后執行相應的幀處理操作。下面是用Verilog HDL描述的接收狀態機。


@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時鐘。


if(rst && USB_RXF==0)


begin


       case(Rstate)


        Rstate0:


 begin


          USB_RD<=0;      /*產生讀信號的下降沿


          Rstate<=Rstate1;


        end


        Rstate1:


begin


RframeBuf[Rpointer]<=USB_DATA; /*讀FT245BM芯片FIFO的當前字節


Rstate<=Rstate2;


              end


        Rstate2:


          begin


            if(Rpointer== FrameLen-1) /*如果已經接收到完整的一幀,則轉Rstate3,


              begin


              Rstate<=Rstate3;


                Rpointer<=0;


             end 


           else            /*一幀未接收完,轉Rstate0繼續接收


           begin


            Rstate<=Rstate0;


            Rpointer<=Rpointer+1;


           end


           USB_RD<=1;


          end


       Rstate3:        /*處理收到的幀


         begin


           Rstate<=Rstate0;


           /*在此添加處理幀的代碼,本文略*/


         end


     end


else


  begin


       Rstate<=Rstate0;


       USB_RD<=1;


     End


3.2.2  發送狀態機


發送狀態機完成的主要功能是將外設產生的數據通過FT245BM和USB總線傳送到PC機。外設將數據準備好后,將發送允許信號(SendEN)置為有效,當狀態機檢測到SendEN=1時,即啟動發送操作。首先狀態機從外設的緩沖區按字節將待發送的數據讀到FPGA的緩沖區,并產生寫FT245BM發送緩沖區的時序,將數據寫到FT245BM發送緩沖區。直到將一幀數據發送完畢。下面是FPGA向FT245BM發送數據的狀態機。


@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時鐘。


if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)   /*rst為異步復位信號, SendEN為發送允許信號,由給Pc機發送數據的邏輯電路置位,數據發送完成由發送狀態機將其清除。


  begin


    case(Sstate)


     Sstate0:


        begin


          USB_WR<=1;      /*產生寫信號的上升沿


          Sstate<=Sstate1;


        end


     Sstate1:


begin


USB_DATA <=SframeBuf[Spointer];   /*寫一個字節到FIFO,SframeBuf為發送緩沖區


Sstate<=Sstate2;


            end


     Sstate2:


        begin


          if(Spointer == FrameLen-1)    /*如果已經發送完一幀,則轉Sstate3,


            begin


            Sstate<=Sstate3;


              Spointer <=0;


            end 


          else            /*未完,轉Sstate0繼續發送


           begin


             Sstate<=Sstate0;


             Spointer <= Spointer +1;


           end


         USB_WR<=0;         /*產生寫usb FIFO信號的下降沿


        end


     Sstate3:       


       begin


         Sstate<=Sstate0;


         /*在此添加處理幀發送完畢的代碼和清除SendEN 信號的代碼,本文略*/


       end


  end


else


  begin


    Sstate<=Sstate0;


    USB_WR<=0;


  End


限于篇幅,以上狀態機只給出了幀收發的基本操作,因為在不同的應用場合,幀處理的方法也不相同,所以本文沒有給出幀處理代碼。另外,在實際應用時需要注意以下內容:由于FPGA讀寫FT245BM共用一組數據總線,狀態機不能同時對FT245BM進行讀寫操作,當所以當兩個狀態機分開編寫時,為避免沖突需分出讀寫的優先級,此時只需對以上狀態機稍加修改即可。比如當若令讀的優先級高,則在寫的狀態機中將if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)語句的條件改為if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1&& USB_RXF==1)即可。寫優先級高的情況可以仿照此方法修改。


四、PC機軟件設計


PC機軟件的設計有兩種方法:一種是在PC機上安裝一個由FTDI公司免費提供的虛擬串行口VCP(Virtual COM Port)驅動程序,將USB口虛擬成一個串口,像一個標準的串口那樣進行進行外設和PC機的通信??殺局噬纖姓攵孕檳獯詰氖?a href='//www.uvcfk.com/optic_article/5' target=_blank>通信都是通過USB總線完成的。另外一種方法是利用FTDI公司提供的D2XX驅動程序,通過調用驅動程序的動態鏈接庫直接訪問USB。由于人們對串口的操作比較熟悉,通常用前一種方法訪問USB。比如,在PC端,應用VB對VCP(通常設置為COM3)進行編程??梢災苯佑τ肕SComm控件,將MSComm.CommPort置為3,MSComm.Setings置為“9600,n,8,1”(該速率為默認設置,實際上VCP驅動程序總是使數據以最快速率傳輸);通過MSComm.PortOpen設置COM3的開關狀態;通過MSComm.Input和MSComm.Output讀入或輸出數據。在讀取數據時,設置MSComm.Rthreshold的值為1。只要有數據傳到PC機,就立即觸發MSComm.CommEvent事件,自動讀取COM3的數據;而發送數據則可自動或手動發送,由用戶自己設置。以上操作與操縱標準的串行口完全一致。


五、結語


以上狀態機在MaxPlusII10.2下調試并下載到FPGA運行通過,軟件在Windows 2000,VB6.0環境下調試通過。該電路成功應用到光纖陀螺多路測試系統中,實現了同時對4路陀螺信號的同時測試,簡化了電路設計,提高了測試效率。


參考文獻:


[1] FT245BM data sheet. Future Technology Devices Int. Ltd.


[2] 夏宇聞. Verilog 數字系統教程[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2004


[3] 張俊安. 用VB實現windows 9x環境下的串口通信[J]. 山東煤炭科技, 2000年增刊:73~74

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