基于FPGAUSB2.0的数据采集和数据下传系统.ppt

基于FPGA+USB2.0的数据采集和数据下传系统,数据采集和下传的系统结构 USB部分 USB基本概念和特点 EZ-USB FX2 （CY7C68013）简介 EZ-USB FX2 从属FIFO 固件框架和程序 FPGA部分 设备驱动和主机应用程序部分 总结,基于FPGA+USB2.0的数据采集和 数据下传系统,USB数据采集系统,数据采集和下传的系统结构,USB数据下传系统,数据采集和下传的系统结构,USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的缩写。最早是由Compaq、Intel、Microsoft等多家公司于1994年11月共同提出的，其目的是用USB来取代PC现有各种复杂的外围接口，使外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插拔、低成本等特点。,USB的基本概念和特点,USB基本概念,USB协议定义了两种连接器：使用在电缆“上游”端的A系列和使用在电缆“下游”端的B系列。各种连接器的引脚和电缆颜色如图：,USB连接器,USB2.0支持三种信道速率：低速的1.5Mb/s，全速的12 Mb/s以及高速的480Mb/s。通常USB传输速率指的是信号或信道支持的位速率,每个USB设备的实际数据传输速率会比理想值低,除了数据之外,信道还需要传输状态控制和错误检查的信号，由于多个USB设备可能分享同一个信道，所以在实际应用中，对于单一传输最大速率，高速模式下为53Mb/s,全速模式下为1.2Mb/s,低速模式下则为800b/s。,USB2.0传输速率,USB主机 任何USB系统中，只有一个主机，主机是USB唯一的主控者，这是USB最基本的概念。USB设备将会等待主机的请求而加以响应。我们通常所用的USB主机设计即PC上位机。 USB方向 由于主机是USB主控者，这样很容易理解USB方向：OUT是指从主机到设备，而IN是从设备的到主机。例如，端点6发送数据到主机，则定义为IN端点 。,USB的主机和方向,批量传输 批量传输是一种突发的传输模式。此种传输方式中，在全速方式时，以8、16、32、64字节信息包传输；高速方式时，以512字节信息包传输。由于其具有自动的错误数据校验机制（CRC），所以批量传输能确保其正确性。使用于大批量数据的连续传输。 控制传输 控制传输用于配置设备，给设备发送命令。当USB设备初次安装时，USB系统软件采用控制数据对设备进行设置。,USB传输类型,中断传输 中断传输数据是少量的，且其数据延迟时间也是有范围的。这种数据可由设备在任何时刻发送。 同步传输 同步数据的建立、传输和使用是连续且实时的，并以稳定的速率发送和接收实时的信息。适用于语音传输等实时性要求高的USB设备。,USB传输类型,EZ-USB FX2简介 Cypress半导体公司的EZ-USB FX2 芯片即CY7C68013，是新一代高速USB系列，可以用USB2.0最大数据传输速率传输数据。该芯片基于EZ-USB FX芯片开发，通过集成的收发器、SIE（串行接口引擎）、8051微控制器，存储器和可编程I/O接口，提供USB2.0支持。,EZ-USB FX2 简介,EZ-USB FX2简化框图,集成的USB收发器连接到USB总线中的D+和D-；串行接口引擎SIE进行译码、编码、错误纠正和位填充，变换USB所需要的信号电平；最终，从USB接口，SIE发送和接收数据。EZ-USB FX2的CPU采用增强8051，提高了运行速度，增强了功能。同时芯片还采用了内部RAM用于程序和数据存取。,FX2共有三种接口工作模式，端口模式、从属FIFO（Slave FIFO）模式和通用可编程接口模式（GPIF）。 端口模式：FX2的CPU（增强型8051）使用特殊功能寄存器来控制I/O管脚的输出，读取或写入等功能。 通用可编程接口模式（GPIF）：GPIF作为内部的主控制器与FIFO直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。,EZ-USB FX2接口模式,从属FIFO模式：在Slave FIFO模式下，外部逻辑或外部处理器直接与FX2端点FIFO相连。在这种模式下，GPIF不被激活，因为外部逻辑可直接控制FIFO。这种模式下，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，工作时钟可选为内部产生或外部输入，其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。,EZ-USB FX2接口模式,从FX2的角度来看，端点就是总线上接收或保持传输数据的缓冲区。FX2从OUT端点缓冲区读主机发出的数据，并且向IN端点缓冲区写要传输给主机的数据。 FX2包含了3个64字节的端点缓冲区，加上可定义为不同端点方式的4KB缓冲区空间。 3个64字节缓冲区是共有的，并且被设计成EP0、EP1IN和EP1OUT。其中，EP0是默认的控制端点0，是一个用于IN和OUT数据的单64字节缓冲区双向端点。端点1支持批量传输、中断传输和同步传输，且端点0和端点1只能由FX2的CPU进行访问。4KB可配置的缓冲区用于端点2、4、6、8(EP2、EP4、EP6、EP8)。,EZ-USB FX2端点缓冲区,端点2、4、6和8是大端点，用于高带宽的数据传输。他们能够配置成各种不同的方式，从而适应带宽的要求。如下图：,EZ-USB FX2端点缓冲区,EZ-USB FX2端点缓冲区,从属FIFO模式下，外围设备电路可以像访问普通FIFO一样访问FX2的端点2、端点4、端点6和端点8的端点FIFO，也就是说，端点FIFO被外部控制器所控制。,EZ-USB FX2 从属FIFO,异步方式和同步方式下的时序,异步方式下：SLRD和SLWR是读/写的选通信号； 同步方式下：SLRD和SLWR作为IFCLK时钟引脚的使能信号。,Cypress公司为FX2系列的产品提供了固件框架和固件库，是由Keil C51 C编写的。固件框架和固件库提供了能够完成USB设备基本功能需求的参数和函数，大大提高了开发的效率。固件框架主要包括初始化、处理标准USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等。,固件框架,固件框架流程,固件框架完成一个简单的任务循环。首先框架初始化内部的状态变量，然后调用用户初始化函数 。该函数返回后，框架初始化USB接口到未配置状态并使能中断。然后每隔1s进行一次设备重枚举，直到端点0接收到一个配置包（SETUP）。一旦检测到SETUP包，框架将开始交互的任务调度，其任务调度如下： 1.调用用户函数TD_Poll（）函数，实现USB外设的主要功能。 2.判断是否有标准设备请求等待处理，如果有，则分析该请求并响应。 3.判断USB内核是否收到USB挂起信号，如果收到，则调用函数TD_Suspend()。该函数成功返回后（返回值为TRUE），再检测是否发生USB唤醒事件。如果未检测到，则处理器进入挂起方式；如果检测到，则调用函数TD_Resume（）函数，程序继续运行。如果从TD_Suspend函数返回FALSE，则程序继续运行。,本系统的固件程序设计，由于采用SlaveFIF0模式进行数据高速传输，因此，配置数据接收和发送端点为SlaveFIFO模式，CPU不再参与数据的传输。数据采集系统中，端点FIFO在接收到FPGA输入的信号后，等待PC读取，USB芯片只作为一个数据传输通道。由于FX2的EP2、EP4、EP6、EP8这四个端点共享4KFIFO缓冲区，故在该系统中，将EP6配置成Bulk块传输，大小为512B，2倍缓存，16位工作模式，并设置为AUTOIN模式，而用EP0作为控制参数传递。相反，数据下传系统中，打开EP2端点，同样设置成Bulk块传输，大小为512B，2倍缓存，16位工作模式，并设置为AUTOOUT模式，这样，固件程序就能完成主机和设备的双向数据传输。,固件程序,在自动输入输出模式下，对于IN端点，允许外部逻辑将数据连续传送到FIFO中，不需要外部逻辑或FX2固件程序来打包数据或发送信号到主机来确认；对于OUT端点，允许主机连续填充FIFO，而不需要外部逻辑或FX2固件与每一个引入的包进行握手即提供端点缓存区。因此，在固件程序中，我们只需要完成初始化函数TD_Init的配置，而用户函数TD_Poll程序代码则不是必需的。,固件程序,void TD_Init(void) CPUCS = (CPUCS /激活端点6 IN BULK 512字节 2倍缓存,/config the endpoint6 EP6FIFOCFG = 0x0D; /EP6 AUTOIN =1 ZEROLEN=1 WORDIDE=1 SYNCDELAY; / 配置EP6自动方式 16位模式 /FX2根据包的长度值自动打包并分派IN包，该长度在EP6AUTOINLEN寄存器中 INPKTEND = 0x06; SYNCDELAY; INPKTEND = 0x06; SYNCDELAY; /强制IN包结束 EP6AUTOINLENH = 0x02; SYNCDELAY; EP6AUTOINLENL = 0x00; SYNCDELAY; /set the packet size 512字节 /config the endpoint2 EP2FIFOCFG = 0X11; SYNCDELAY; /EP2 AUTOOUT=1 ZEROLEN=0 WORDIDE=1 OUTPKTEND= 0x82; SYNCDELAY; OUTPKTEND= 0x82; SYNCDELAY; /强制OUT包结束 EP2BCL = 0x80; / 通过写字节计数器来控制EP2OUT SYNCDELAY; EP2BCL = 0x80; SYNCDELAY; void TD_Poll(void) / Called repeatedly while the device is idle ,FPGA控制器实现异步从属FIFO的写,IDLE：当写事件发生时，转到状态1； 状态1：指向IN FIFO，激活FIFOADR1:0,转向状态2； 状态2：如果FIFO满标志为“假”（FIFO不满），则转向 状态3，否则停留在状态2； 状态3：传送总线驱动数据，激活SLWR，转向状态4； 状态4：如果有更多的数据要写，则转向状态2，否则转 向IDLE。,FPGA典型进程如下：,FPGA功能仿真异步FIFO写,FPGA控制器实现异步从属FIFO的读,IDLE：当读事件发生时，转到状态1； 状态1：指向OUT FIFO，激活FIFOADR1:0,转向状态2； 状态2：激活SLOE，如果FIFO空标志为“假”（FIFO不 空），则转向状态3，否则停留在状态2； 状态3：激活SLOE、SLRD，传送总线驱动数据，撤销激 活SLRD（指针加1）和SLOE，转向状态4； 状态4：如果有更多的数据要写，则转向状态2，否则转向 IDLE。,FPGA典型进程如下：,FPGA功能仿真异步FIFO读,在Windows操作环境下，对USB设备进行开发必须以驱动程序作为桥梁。USB主机通过相应的驱动程序来控制外部USB设备，进行数据传输等操作。也就是说，USB驱动程序是主机程序和固件程序的桥梁。Cypress公司为USB芯片提供了通用的驱动程序，用户可以在此基础上直接进行固件的开发，以加速USB设备的开发进度。下面介绍Cypress公司提供的在Visual Studio6.0环境下的通用USB驱动。,USB驱动开发,Cypress为EZ-USB系列USB接口芯片提供了一个完整的开发包 CY3684 EZ-USB FX2LP Development Kit。该开发包里包括了通用的USB驱动程序，可以使用最常用的Visual Studio 6.0访问。Cypress的通用驱动程序包括两个，一个为Cyload.sys，用于固件程序的下载；另一个为CyUSB.sys，用于主机和固件程序的通信 。每个驱动程序使用一个INF文件（设备信息文件）进行引导安装。两个驱动程序的INF文件都可以进行如下自定义的修改： 1.修改设备的VID/PID； 2.修改字符串（包括设备名称、制造商的字符串信息）； 3.修改GUID（主机程序获取接口）； 4.修改驱动名称。,通用USB驱动,主机应用程序是用于与用户进行接口的。主机应用程序通过USB设备驱动程序和外部USB硬件进行通信，USB固件程序执行所用的硬件操作。本系统以Visual C+为平台开发上位机程序，读写USB设备。在Cypress公司提供的CY3684开发包中，可以使用CYIOCTL控制函数类和CyAPI控制函数类来实现对USB设备的读写。,主机应用程序,在使用Cypress提供的驱动程序基础上，只需上位机程序加入头文件cyioctl.h，然后便可以调用相应的控制函数。Cyioctl接口控制函数只提供了基本的USB控制及传输操作，一般用于USB设备的连接。如果要进行更加详细的控制操作，则需要使用CyAPI控制函数类。,CYIOCTL控制类函数,在上位机程序中加入头文件CyAPI.h和库文件CyAPI.lib即可调用相应的控制函数。 CyAPI控制函数类主要包括8个控制类: 1.块传输端点控制类CCyBulkEndPoint； 2.控制传输端点类CCyControlEndPoint； 3.中断传输端点控制类CCyInterruptEndPoint； 4.同步传输端点控制类CCyIsocEndPoint； 5.设备控制类CCyUSBDevice； 6.配置信息类CCyUSBConfig； 7.端点控制类CCyUSBEndPoint； 8.接口控制类CCyUSBInterface。,CyAPI控制函数类,块传输端点控制类CCyBulkEndPoint主要用于块传输端点。在该类中最常用的函数是BeginDataXfer，其函数原型如下： PUCHAR CCyBulkEndPoint : BeginDataXfer( PCHAR buf, LONG len, OVERLAPPED *ov) BeginDataXfer函数是一个非常好用的异步I/O传输方法。这个函数建立一个数据传输通道，初始化传输，并立刻返回，不用等待传输完毕。,块传输端点控制类CCyBulkEndPoint,设备控制类CCyUSBDevice是一个原始的库入口类指针，其中定义了很多USB设备的各种操作 ，使用前必须首先获得USB设备的句柄，下面介绍常用的成