基于FPGA技术的USB2.0接口设计实践方案

一、引言

随着计算机技术的飞速发展，USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口因其传输速度快、支持热插拔以及能够连接多个设备的特点，已经在各类外部设备中得到了广泛应用。USB2.0作为USB接口的一个重要版本，其数据传输速率最高可达480Mbps，并且具有良好的兼容性，能够向下兼容USB1.1设备。本文将详细介绍基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术的USB2.0接口设计实践方案，并重点讨论主控芯片型号及其在设计方案中的作用。

二、主控芯片型号及其作用

1. 主控芯片型号

在本次USB2.0接口设计中，我们选择了Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片，具体型号为CY7C68013A。CY7C68013A是世界上第一款集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。这款芯片因其独特的架构和强大的功能，在USB2.0接口设计中得到了广泛应用。

2. 主控芯片作用

（1）USB2.0收发器：CY7C68013A内置了高速的USB2.0收发器，支持全速（12Mbps）和高速（480Mbps）两种传输模式。这使得该芯片能够满足USB2.0接口的高速率传输要求。

（2）SIE（串行接口引擎）：SIE负责处理USB协议中的大部分底层通信任务，包括数据包的封装、解封装、错误检测和纠正等。通过硬件实现这些功能，大大减轻了CPU的负担，提高了数据传输的效率和可靠性。

（3）增强的8051微控制器：CY7C68013A内置了一个增强的8051微控制器，用于配置和管理USB接口的工作状态。通过编写固件程序，可以实现对USB接口的各种控制功能，如端点配置、数据传输模式选择等。

（4）可编程的外围接口：CY7C68013A提供了丰富的可编程外围接口，包括FIFO（先进先出队列）、GPIF（通用可编程接口）等。这些接口可以与外部逻辑电路（如FPGA）进行高速数据传输，实现复杂的通信和控制功能。

三、设计方案

1. 系统架构

基于FPGA的USB2.0接口设计系统架构如图1所示。该系统主要由FPGA、CY7C68013A芯片、电源模块、时钟模块和接口电路等组成。FPGA作为系统的核心控制器，负责数据处理和逻辑控制；CY7C68013A芯片作为USB2.0接口的主控芯片，负责USB通信协议的处理和数据传输；电源模块和时钟模块为系统提供稳定的电源和时钟信号；接口电路用于连接外部设备和PC机。

2. FPGA设计

FPGA设计部分主要包括数据采集、数据处理和USB通信控制三个模块。

（1）数据采集模块：该模块负责从外部传感器或信号源采集数据，并将其转换为数字信号。数据采集模块的设计需要根据具体的传感器或信号源类型进行定制。

（2）数据处理模块：该模块对采集到的数据进行处理和分析，如滤波、放大、转换等。数据处理模块的设计需要根据具体的应用需求进行定制。

（3）USB通信控制模块：该模块负责将处理后的数据通过CY7C68013A芯片传输到PC机。USB通信控制模块的设计需要遵循USB2.0通信协议，并编写相应的固件程序来配置和管理USB接口的工作状态。

3. CY7C68013A固件设计

CY7C68013A的固件设计是USB2.0接口设计的关键部分。固件程序需要实现以下功能：

（1）端点配置：根据应用需求，配置CY7C68013A的端点（Endpoint）数量和类型。端点是USB接口中用于数据传输的缓冲区，每个端点都可以配置为输入端点、输出端点或双向端点。

（2）数据传输模式选择：根据应用需求，选择适当的数据传输模式，如批量传输、中断传输、控制传输或同步传输等。不同的传输模式适用于不同的应用场景和数据传输要求。

（3）数据处理和控制：在固件程序中编写数据处理和控制逻辑，实现对采集到的数据的处理和分析，以及通过USB接口与PC机的通信控制。

4. 接口电路设计

接口电路设计部分主要包括USB接口电路、电源电路和时钟电路等。

（1）USB接口电路：USB接口电路用于连接CY7C68013A芯片和PC机的USB端口。该电路需要遵循USB2.0接口标准，包括D+和D-数据线、VBUS电源线、GND地线等。

（2）电源电路：电源电路为系统提供稳定的电源供应。根据CY7C68013A芯片和FPGA的功耗需求，选择合适的电源芯片和电源电路设计方案。

（3）时钟电路：时钟电路为系统提供稳定的时钟信号。根据CY7C68013A芯片和FPGA的时钟需求，选择合适的时钟芯片和时钟电路设计方案。

四、设计实现

1. 硬件实现

硬件实现部分主要包括FPGA开发板、CY7C68013A芯片、电源模块、时钟模块和接口电路等硬件组件的搭建和连接。在搭建硬件系统时，需要注意以下几点：

（1）确保FPGA开发板、CY7C68013A芯片和其他硬件组件的型号和规格符合要求。

（2）正确连接FPGA开发板与CY7C68013A芯片之间的数据线和控制线。

（3）正确连接电源模块和时钟模块，确保系统能够稳定工作。

（4）正确连接USB接口电路，确保系统能够与PC机进行通信。

2. 软件实现

软件实现部分主要包括FPGA程序设计、CY7C68013A固件程序设计和上位机程序设计等。

（1）FPGA程序设计：使用FPGA开发软件（如Quartus II）编写FPGA程序，实现数据采集、数据处理和USB通信控制等功能。在编写程序时，需要注意代码的优化和调试，确保程序能够正确运行。

（2）CY7C68013A固件程序设计：使用CY7C68013A的开发工具（如Keil C51）编写固件程序，实现端点配置、数据传输模式选择和数据处理等功能。在编写固件程序时，需要遵循USB2.0通信协议，并参考CY7C68013A的技术手册和示例代码。

（3）上位机程序设计：使用上位机开发软件（如Visual Studio）编写上位机程序，实现与FPGA和CY7C68013A芯片的通信和数据接收等功能。在编写上位机程序时，需要遵循USB2.0通信协议，并参考相关的USB驱动程序和API文档。

五、测试与验证

在完成硬件和软件设计后，需要对系统进行测试与验证，以确保其能够正常工作并满足设计要求。测试与验证部分主要包括硬件测试、软件测试和系统联调等。

1. 硬件测试

硬件测试部分主要包括电源测试、时钟测试和接口测试等。通过测试电源电路和时钟电路的输出电压和频率，确保系统能够稳定工作。通过测试USB接口电路的连通性和数据传输速率，确保系统能够与PC机进行正常通信。

2. 软件测试

软件测试部分主要包括FPGA程序测试、固件程序测试和上位机程序测试等。通过编写测试用例和测试代码，对FPGA程序、固件程序和上位机程序进行单元测试和综合测试，确保程序能够正确运行并满足设计要求。

3. 系统联调

系统联调部分主要包括硬件和软件之间的联调和系统整体功能的测试。通过连接FPGA开发板、CY7C68013A芯片和PC机，进行数据传输和通信测试，确保系统能够正常工作并满足设计要求。同时，还需要对系统的稳定性和可靠性进行测试，以确保其在实际应用中能够稳定运行。

六、结论

本文详细介绍了基于FPGA技术的USB2.0接口设计实践方案，并重点讨论了主控芯片型号CY7C68013A及其在设计方案中的作用。通过硬件设计、软件设计和测试与验证等步骤，实现了基于FPGA的USB2.0接口设计。该系统具有数据传输速率高、兼容性好、稳定性强等优点，适用于各种需要高速数据传输和通信控制的应用场景。未来，我们将继续优化和完善该系统，提高其性能和可靠性，以满足更多应用需求。