基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计

张宇 程秀玲

摘   要：文章針对传统通用串行总线（USB）接口器件存在的数据传输速率低、无法满足USB接口数据的快速传输需求问题，展开高速集成处理器USB接口的设计研究。通过基于OpenVPX的高速集成数据处理、USB接口连接方式设计、USB接口寄存器初始化，实现USB接口的高速通信。通过实验证明，该USB接口与USB 3.0接口相比有效提高了对数据传输的速率，满足数据实时高速传输需要。

关键词：OpenVPX;高速集成处理器;通用串行总线接口

OpenVPX采用先进的开关网络互联技术等更高性能的接口技术，具备强大的计算机接口转换能力以及更高性能的网络交换能力[1]。利用OpenVPX的框架结构优势，可以使设备更好地适应恶劣的环境，并且利用更高新能的接口技术，可以进一步实现对数据参数的快速切换和传输，连接系统的功耗得到降低，支持功能更加强大的处理器连接[2]。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口是一种通用的高速串行接口，可实现高速传输，还具备高度可扩展性能、即插即用的优势，在人们的日常生活及工作中得到了广泛的运用。

1    基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计

1.1  基于OpenVPX的高速集成数据处理

利用OpenVPX强大的数据处理功能，将高速集成处理器采集到的数据经过OpenVPX进行快速且复杂的处理，再由USB接口传输到上位机中进行后续的处理。

基于OpenVPX的高速集成数据处理需要完成对32个通道的中频信号采样、数字波束预合成、合成以及数据记录等功能。主控制模板用于完成处理数据的初始化、交换网络动态管理以及对外接口等功能。AD模块共分为两个，每个模块完成16通道的数据传输模拟信号的采样以及数据的预处理[3]。处理模块为3个，利用处理模块上的各个算法实现对两个通道中16路信号的预合成以及完成对数据的校正。模块与模块之间的数据通信采用串行总线，选用RapidIO 2.2规范，设置单通道的速率为7.36 Gbit/s。原本的RapidIO 2.2协议只具备点对点的通信方式，但基于OpenVPX中的交换模块可以实现任意节点间的多点与多点通信。

1.2  USB接口连接方式设计

本文设计的USB接口的工作主要应用于高速集成处理器模式中，因此，选择16位地址总线和32位数据总线连接方式实现数据的快速集成，将片选信号连接在OpenVPX的外部存储器扩展中，终端输出与OpenVPX的XINTF0连接，由USB接口器件自身供电。OpenVPX的数据线通过65LVC2437双向缓冲器与ISP2692的数据线相连。

当高速集成处理器USB接口初始化完成后，再通过电源连接的方式，将USB的D+接线拉高，并通过参数设置的方式将其放置在USB的内部寄存器中的相应位置，从而将D+接线连接到一个2.5 kΩ的电阻到电路的供电电压上。

1.3  USB接口寄存器初始化

基于OpenVPX的USB接口设计还需要对USB接口器件的寄存器进行初始化处理，满足计算机接口的信号电平满足设置要求。USB接口地址寄存器、中断配置寄存器和方式寄存器对应的初始化流程，如表1所示。

USB接口寄存器初始化处理主要用于对设备的激活、设置中断模式以及配置和各项功能的中断。

对于进村器的读写操作，根据表1中的流程进行后可先向命令窗口输入要寻址的寄存器子地址和操作类型，再在READY状态下分两次读写命令口即可读写各个字节中的数据。

1.4  实现USB接口与上位机通信

OpenVPX协助计算机对USB接口枚举时需要向OpenVPX提供产品。将设备代码烧写到符合总线接口的带电可擦可编程只读存储器中，并连接到USB接口的对应引脚上。在USB接口枚举的过程中，在串行接口引擎的作用下可以自动完成枚举。对OpenVPX的初始化处理只需要对等待状态的寄存器设置相应参数，从而适应USB接口的数据交换即可。

USB接口中设置8个中断源，并分别通过对中断使能寄存器的各位进行设置，当出现中断时，USB接口的INT引脚将被置低，并中断使能寄存机的相应位置。当中断发生时，带有中断标志的寄存器则将状态字映射到上位机软磁盘当中。因此中断发生后，OpenVPX对USB接口可以轻易帮助上位机获得中断信息，若带有中断标识的寄存器读取了中断信息，会首先向USB接口发送读取请求，得到回应后，才能实现数据读取操作。

2    实验论证分析

为验证本文设计的USB接口与主流USB 3.0接口的区别，将其二者进行对比实验。将本文设计的USB接口作为实验组，USB 3.0接口作为对照组。将两组USB电缆线的一端与上位机相连，另一端连接下位机，在下位机运行USB固件程序，此时在上位机的显示屏上将会提示已安装驱动，打开实验测试程序，并在其中设置缓冲区面积及发送的次数，开始实验。将两组USB接口的测试结果截取，具体情况如图1所示。

由图1中的数据可知，实验组数据传输的平均速率和最大速率均高于对照组，由此证明，本设计中的USB接口更具高效性，充分满足了用户对USB接口快速、灵活、方便的要求。

3    结语

随着现代科技的快速发展，用户对USB接口在数据传输、存储及适应环境等方面提出了更高的要求。本研究基于OpenVPX的优势设计了一种全新的高速集成处理器USB接口，达到了快速传输数据的目的。

[参考文献]

[1]秦贞宇，卢俊强，鞠晓东，等.USB3.0的高速声波测井仪通信接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019（8）：44-49.

[2]黄海，王莹，吕玉嫦，等.基于STM32的USB接口协议技术的研究与实现[J].气象水文海洋仪器，2019（3）：72-74.

[3]郭皎，巨汉基，崔文武，等.基于USB方式的采集终端4G远程通信模块设计[J].自动化与仪表，2019（11）：56-58，63.

Abstract：In view of the problem that the traditional universal serial bus architecture （USB） interface device has low data transmission rate and can not meet the rapid transmission demand of USB interface data， the design and research of high speed integrated processor USB interface is carried out in this paper. Through high-speed integrated data processing based on OpenVPX， design of USB interface connection mode and initialization of interface register， high-speed communication of USB interface is realized. The experimental results show that the USB interface can effectively improve the rate of data transmission compared with the USB 3.0 interface and meet the needs of real-time high-speed data transmission.

Key words：OpenVPX; high speed integrated processor; universal serial bus interface