USB接口高速数据传输技术研究

范晓光 赵 晶 李小平 梁 影

（上海无线电设备研究所，上海 200090）

通用串行总线 (Universal Serial Bus，USB)是一种新兴的并逐渐取代其他接口标准的数据通信方式，由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC 及Northern Telecom等计算机公司和通信公司于1995年联合制定，并逐渐形成了行业标准。USB总线作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，且该总线还兼有供电简单（可总线供电）、安装配置便捷（支持即插即用和热插拔）、扩展端口简易（通过集线器最多可扩展127个外设）、传输方式多样化（4种传输模式），以及兼容良好（产品升级后向下兼容）等优点。目前该接口总线已发展到USB3.0标准，并且已经在计算机中广泛使用。

LabVIEW是一种基于计算机平台的图形编程语言和开发环境，在相同硬件条件下，利用LabVIEW编写不同软件即可实现不同的仪器功能，实现了“软件即仪器”的设计理念。通过图像化编程，用户可以设计模拟真实仪器面板的控制界面，其丰富的图形控件可以满足用户数值输入/输出、图表/文本显示等需求，开发友好交互的人机界面。

1 USB接口硬件电路

1.1 FT232H芯片

FTDI公司生产的FT232H芯片是一款单通道高速USB转UART/FIFO接口芯片，能够用于各种串行和并行I/O配置，包含专有动态双向数据总线，可通过外部存储器完成其工作模式的配置。它不仅支持异步串行接口（UART），还通过其内建的多重协议同步串行引擎（MPSSE）支持许多同步I/O接口，如SPI、I2C、JTAG及FPGA接口。其具体功能特性如下：

（1）供电方式：总线供电、直流电源供电；

（2）通过外部EEPROM进行功能配置，该芯片可以实现多种单通道USB转串行、并行接口；

（3）内部集成完整固件程序；

（4）通信速率：全速12Mbit/s、高速480Mbit/s；

（5）异步245FIFO模式下，数据传输速率为8Mbytes/s ；

（6）提供VCP和D2xx驱动，其中VCP用来驱动USB转串口设计，D2xx用来驱动USB通信应用。

1.2 硬件电路

USB接口硬件电路设计如图1所示，FT232H芯片采用总线供电，将总线电源输出引脚经过一个滤波电路接到该芯片的VREGIN引脚，给整个USB硬件电路供电。USB接口的差分数据线分别连接到FT232H芯片的DM引脚和DP引脚，用于数据传输。FT232H芯片外接12MHz晶振，分别接到该芯片的OSCI引脚和OSCO引脚。FT232H芯片的锁相环电源由该芯片内部提供，经过一个LC滤波电路连接到VPLL引脚，同时利用内部锁相环产生所需的工作时钟信号。

USB接口通信方式采用异步245FIFO模式，数据传输速率为64Mbit/s。在该模式下，FT232H芯片ADBUS0～ADBUS7分别连接数据输入引脚D0～D7，用于接收待传输数据。FPGA产生USB接口传输控制信号，连接至FT232H芯片ACBUS0～ACBUS4，分别是读准备信号、写准备信号、读信号、写信号和睡眠唤醒信号等，用于控制数据传输过程。

USB接口通信方式的配置需借助于外部EEPROM来完成，电路选用93LC56B芯片，是一款128×16bit低电压、串行EEPROM。该芯片可在+2.5～+5.5V电源下工作，采用符合工作标准的三线式串行I/O口传输数据，可与FT232H芯片直接连接。内建有上电和掉电数据保护电路，防止数据丢失，可保存时间大于200年。通过该EEPROM，在配置通信方式的同时，还可配置USB接口的VID、PID、产品描述字符串等OEM信息，以便于用户开发属于自己的产品。

2 USB接口软件开发

图1 硬件电路设计

要开发一个完整的USB接口，其过程较为复杂，除其硬件电路设计以外，还包括软件设计过程，主要包括接口芯片固件编程、设备驱动开发和应用软件设计等3个方面。USB接口芯片固件是其各种底层功能函数，用于实现芯片读写等操作。设备驱动主要用于驱动USB设备，使连接上位机之后能被识别。其中，设备驱动还需要完成固件下载的工作，这样用户才能应用设计的固件。完成接口芯片固件和设备驱动的编写之后，编写用户控制软件，按照用户需求控制USB接口通信过程。

2.1 芯片固件

FT232H 的芯片内部集成了USB接口通信所需的固件，不需要用户进行独立编写，简化了软件开发工作。可将该USB接口芯片配置为两种不同通信方式，一种是高速USB转为串口通信，另一种是单通道USB通信。USB转串口通信方式是将FT232H模拟为一个虚拟串行口，这样用户通过FT232H可以和上位机的串口相连接并进行通信，该种模式使用芯片公司提供的虚拟串口驱动进行设计。该种传输方式传输速率较低，常应用于对用户已有的串口通信电路进行升级扩展。本文采用单通道USB通信方式，该种模式传输速率较高。要实现该种模式通信，需在上位机中安装D2xx驱动，应用软件调用各种驱动函数即可控制该芯片。该种模式极大地简化了USB开发流程。其主要驱动函数介绍如下：

（1）FT_CreateDeviceInfoList：该函数用于查看某一USB设备的详细信息；

（2）FT_OpenEx：该函数根据USB串码、设备描述等信息打开某一指定USB设备，并返回一个句柄，后续函数通过该句柄识别该设备；

（3）FT_Read：该函数用于从某一句柄指定的USB设备中读取数据；

（4）FT_Write：该函数用于将数据写到某一句柄指定的USB设备；

（5）FT_GetStatus：该函数用以得到某一设备的状态信息；

（6）FT_Purge：该函数用以清空某一指定USB设备的发送和接收缓冲区；

（7）FT_ResetDevice：该函数用于复位某一指定的USB设备。

2.2 设备驱动

设备驱动主要用于驱动USB设备，使其连接上位机之后能在上位机中被识别。另外，设备驱动还要完成固件的下载，将固件下载到芯片内部才能控制芯片运行。使用FTDI公司提供的CDM20814驱动软件驱动设备。安装完USB设备驱动之后，用户需要配置外部EEPROM，设置USB设备的各种信息，以及USB接口工作模式。配置使用FT_Prog软件，其设置界面如图2所示。

图2 USB接口外部EEPROM配置软件主界面

通过FT_Prog软件配置USB接口通信方式为异步245FIFO模式。配置USB接口设备VID为0403、PID为6014、产品描述为DAQSYS_USB，同时对其应用管脚进行配置。

3 基于LabVIEW的应用软件开发

LabVIEW作为一种基于计算机平台的图形编程语言和开发环境，其便捷、快速、可视化的编程方式，越来越广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，其应用领域已广泛覆盖测试测量、嵌入式、运动控制、图像处理、FPGA等众多领域。

3.1 LabVIEW编程

采用LabVIEW软件编写USB通信应用软件，可通过调用动态连接库的方法，调用FTDI公司提供的USB接口设备的固件驱动程序，快速搭建应用程序，实现USB接口的高速数据传输。其步骤如下：

（1）安装动态链接库：安装FTDI公司提供的固件驱动程序到上位机；

（2） 调用动态连接库：通过LabVIEW软件中的“互连接口”模块实现对动态连接库的调用：“互连接口”→“库和可执行程序”→“调用库函数节点”模块；

（3）编写控制软件：利用LabVIEW软件调用各种驱动函数，实现USB接口应用程序开发，其程序流程设计如图3所示。

图3 USB接口通信应用程序流程图

USB接口硬件加电后，软件打开USB设备，与其建立通信连接。然后对USB设备进行初始化，对USB接口设备进行复位，清空其数据缓存区数据。初始化之后，应用软件对USB设备状态进行查询，判断数据缓存区是否被写入数据，当有数据写入时，读出缓存数据，并对数据进行解析，判断数据是否准确，之后对通信数据进行显示。如果查询数据缓存没有数据，则继续等待。

3.2 USB接口高速数据传输调试

USB接口通信应用程序控制前面板如图4所示，利用FPGA硬件电路，将其内部DDS产生的正弦信号传输至USB接口硬件电路，USB接口电路传输数据至应用程序，应用程序对数据进行显示，验证USB接口高速数据传输能力。

图4 USB接口通信应用程序控制前面板

首先，设置要打开的USB设备为“DAQSYS_USB”，启动前同时清除发送和接收缓存区。配置完成后，启动USB接口进行数据传输，对USB状态进行监控，界面中状态监控一栏将对目前USB设备的各种控制状态进行显示。使用FPGA中DDS以8MHz采样产生1MHz频率的正弦信号，通过USB接口输出，数据通过USB接口传输到上位机界面，上位机界面对传输数据进行显示，对传输数据长度进行统计显示。通过试验，该应用程序可以准确地实现上位机与USB设备间的通信，从而最终达到了程序设计的目的。

4 结束语

本文基于FTDI公司的FT232H芯片，研究了USB总线接口高速数据传输技术，提出了一种基于USB芯片的高速数据传输应用方法。阐述了硬件设计方法和软件开发流程，并利用LabVIEW软件开发了应用程序，且在试验中验证了USB接口的高速数据传输功能。本文所设计的USB接口系统结构简单、性能稳定、易于开发、传输速率快；借助于LabVIEW软件开发工具，大大缩短了应用程序的开发周期，提高了系统的设计效率和设计质量。