基于FPGA和LabVIEW的USB高速传输系统设计

董淑伟 郑宾

【摘要】针对大数据量传输问题，设计了基于FPGA和Labview的USB高速传输系统，使FPGA、USB技术和LabVIEW软件设计优势得到了有效的发挥。通过FPGA的控制，高速、高带宽USB串行接口将数据传输到PC终端，在PC终端程序开发采取的LabVIEW软件为USB传输系统提供了便捷性，具有一定的工程实用价值。

【关键词】现场可编程门阵列;通用串行总线;高速传输;虚拟仪器

1.引言

数据采集系统中需将大量的数据传输给PC机，传统的RS232串口传输速度较慢，不适合大数据量传输。USB是一种高效快速、价格低廉、体积小、功耗低、时钟频率高、并支持热拔插的串行通信接口，高速传输速率可达到480Mb/s，能够实现数据的高速传输。

2.系统整体设计

系统主要由FPGA主控电路，USB接口电路和上位机部分组成。其中FPGA为Cyclone II系列，主要芯片为EP2C8Q208C8N;USB接口芯片为CY7C68013A，它通过将USB 2.0收发器、串行接口引擎（SIE）、增强型8051微控制器，以及可编程外设接口集成到一个芯片中。该芯片支持12Mbps全速和480Mbps高速两种传输模式，带有16KB的片内RAM和4KB的FIFO存储器。配置有3种不同的接口模式：Ports（端口模式）、GPIF Master（可编程接口模式）和Slave FIFO（主从模式）。本文选用Slave FIFO模式;上位机主要由Labview来实现。

FPGA与CY7C68013A的信号连接如图1所示。

图1 FPGA与CY7C68013A的连接信号图

3.硬件设计

USB传输系统主要包括FPGA控制模块和USB接口模块。USB接口模块主要包括USB芯片、E2PROM、USB外围接口电路等，其连接如图2所示。

4.软件设计

USB传输系统涉及USB固件程序、驱动程序、上位机接收程序以及slave FIFO模式下的FPGA逻辑设计。本文着重介绍固件程序设计和上位机接收程序部分。

图3 固件程序开发流程图

4.1 固件程序设计

固件程序是USB开发的重要环节，它主要功能包括初始化、辅助硬件完成相应的任务、处理中断请求、收发数据以及外围电路控制。CY7C6S013A芯片内置增强型8051单片机，因此可以用KEIL软件进行固件程序的编写。

Cypress公司为了方便用户编程，提供了完整的固件框架和函数库。用户只需添加或修改相应的代码即可完成固件程序的开发，从而提高了开发效率。固件程序开发流程图如图3所示。

按功能区分整个固件程序可分为三个部分：（1）固件文件（fw.c），USB芯片的固件程序的核心，一般无需修改，主要用来完成USB外设请求以及协议通信;（2）功能文件（bulkloop.c），为用户自由开发预留的文件，用户为实现功能编写的代码就写在这里，同时预留了功能函数并完成中断响应;（3）描述符文件（dscr.a51），定义了枚举设备时所需用的各类描述符信息，根据用户需要进行编写，包括设备描述符、接口描述符、端点描述符、字符串信息。

主程序的源代码如下：

void main（void）

{//初始化

Sleep=FALSE;//禁止休眠模式

Rwuen=FALSE;//禁止远程喚醒

Selfpwr=FALSE;//禁止自供电

GotSUD=FALSE;//清SETUP令牌包来时的标志位

//初始化用户设备

TD_Init（）;//定向USB描述符

USB_Descriptor（）;

USB_Interrupt（）;//中断

USB_ReConnect（）;

//任务县城线程

while（TRUE）//主循环

{//列举用户设备

TD_Poll（）;

if（GotSUD）

{SetupCommand（）;

GotSUD = FALSE;/清SETUP标记

}

if （Sleep）//检查并处理

{if（TD_Suspend（））

{Sleep = FALSE;//清Sleep标记

do

{EZUSB_Susp（）;//空闲状态处理

}

while（！Rwuen && EZUSB_EXTWAKEUP（））;

EZUSB_Resume（）;

TD_Resume（）;

}

}

}

}

4.2 上位机接收程序设计

上位机是USB的主机，它需要实现的功能就是接收来自存储在Flash中的测量数据，并保存在PC机中。本文中的上位机程序是使用LabVIEW开发的。

上位机与USB通信靠三步完成：（1）找到并打开设备;（2）与设备通信;（3）关闭设备。其中先将Flash中的数据读出存在硬盘内，然后在从硬盘读取数据完成数据的波形显示，并非边写边读，这样减少了内存空间的使用。LaVIEW程序及前面板如图5所示。

5.总结

本文结合FPGA、USB技术和Labview软件设计优势，开发了基于FPGA和LabVIEW的USB高速传输系统。通过FPGA的控制，高速、高带宽USB串行接口将数据传输到PC终端，在PC终端程序开发采取的LabVIEW软件为USB传输系统提供了便捷性。

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作者简介：

董淑伟（1989—），女，山东莱阳人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。

郑宾，中北大学教授。