USB数据传输总线的工作原理和应用

USB协议的实现基于网络的思想，是一种共享式的外部通信总线，在总线上数据以包（Packet）的形式传送。USB和主机（PC）的数据传送有4种模式：控制传输（Control）、中断传输（Interrupt）、块传输（Bulk）和实时传输（Isochronous）。控制传输主要用于在设备连接时对设备进行配置。由于USB协议非常复杂，开发者不可能在底层基础上进行开发。如National Semiconductor公司的USBN9602，Philips公司的PDIUSBD12等，在对这类芯片进行开发时需外挂8051。另一类是集成了8051的USB接口芯片，如CYPRESS公司的EZUSB系列。

根据基带数据率和通道数等对数据带宽的要求，我们直接选择了Cypress的USB2．0接口芯片CY7C68013A作为数据传输接口。CY7C68013A支持最高达480Mb/s的高速传输，内部有16kbytes的片上存储器，并提供了从属先进先出（Slave FIFO）和通用可编程接口（GPIF）两种高速传输方式，当工作于从属先进先出模式时，外围电路可以像普通先进先出存储器一样对CY7C68013A中的端点数据缓冲区进行读写；当工作于GPIF模式下时，CY7C68013A可由软件来编程输出读写控制波形。这时，它几乎可以对任何通用总线接口进行访问。其内部结构如图3－31所示。

图3－31　CY7C68013A内部结构图(www.xing528.com)

根据在实验室其他雷达系统中使用USB接口的经验，以往的本振和射频的波形参数是由USB接口芯片中的8051单片机通过USB总线与PC主机程序通信得到的，然后再使用8051的并行数据接口分别写入本振和射频DDS数据寄存器中。但是，由于数据率和通道数的提高，以及UOSDR系统的扫频周期很短，导致CY7C68013A的传输中断越来越频繁，最坏的结果就是使CY7C68013A中的8051无法再处理系统的配置DDS寄存器的任务，导致整个系统失效。因此，我们将配置DDS寄存器和初始化PLL的工作全部交给FPGA来完成，因为FPGA的高度并行特性，使每个模块可以相互不干扰，能够很好地完成配置任务。这样一来，我们利用CY7C68013A在软件开发上的便利，而只使用了它的USB传输链路，大大简化了CY7C68013A的编程难度，加快了系统的开发时间。经过测试表明，USB传输采用Bulk工作模式，其传输速度可达17Mbytes/s左右。FPGA与USB的数据接口如图3－32所示。

图3－32　FPGA与USB的数据接口图

USB应用系统软件设计主要分为三部分：USB外设端的固件、主机操作系统上的客户驱动程序及操作界面程序。界面程序通过客户驱动程序CyUSB．sys与系统USB设备的接口CyUSB．dll托管类库进行通信，由系统主机程序产生USB数据的传送动作，固件则响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换和事件处理。