怎样通过FPGA软件去读取USB2.0模块的数据

描述

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  首先来说一下USB这个大家都知道的东西吧:
  USB通用串行总线,是应用在计算机领域的接口技术。USB接口具有传输速度快,可以广泛地应用在各类的高速数据传输当中,相比于大家熟悉的串口数据传输要快出不知道多少倍了。
  我们最常见的当属USB2.0和USB3.0,这两个之间可以通用,但是也有区别:
  1.USB3.0的速率是5Gbps,而USB2.0的速率是480Mbps。
  2.从USB外观上来看,USB2.0通常是白色或黑色,而USB3.0则改为蓝色接口。
  3.从USB插口引脚上来看,USB2.0采用4针脚设计,而USB3.0则采取9针脚设计,相比而言USB3.0功能更强大。
  总结来说就是USB2.0很通用,因为很多电脑上可能没有USB3.0的接口,但是一定有USB2.0的接口,而且USB2.0的传输速度也能满足一般条件下的高速数据传输。
  1.先附上所设计的实物图(想要威廉希尔官方网站 pcb文件咨询博主),然后针对实物图一点点展开:
  所选用的芯片是Cypress 公司的EZ-USB FX2 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。FX2 这种独创性结构可使数据传输率达到480MBit/s。在FX2中,智能SIE 可以硬件处理许多USB1.1 和USB2.0 协议,从而减少了开发时间
  和确保了USB 的兼容性。该器件具有如下特性:
  (1)内嵌480MBit/s 的收发器,锁相环PLL,串行接口引擎SIE集成了整个USB 2.0 协议的物理层。
  (2)内嵌可工作在48MHz 的增强型8051,该8051 控制器具有以下特征:
  具有256Byte 的寄存器空间,两个串口,三个定时器,两个数据指
  针。
  四个机器周期(工作在48MHz 下时为83.3ns)即组成一个指令周
  期。
  特殊功能寄存器(包括I/O 口控制寄存器)可高速访问。
  应用USB 向量中断,具有极短的ISR 响应时间。
  只用作USB 事务管理,控制,不参与数据传输,较好地解决了
  USB 高速模式的带宽问题。
  (3) “软配置”——USB 固件可由USB 总线下载,片上不需集成ROM。
  (4) 拥有四个FIFO 接口,可工作在内部或外部时钟下。端点和FIFO 接口
  的应用使外部逻辑和USB 总线可高速连接。
  (5) 一种单片USB 2.0 外设解决方案,不需要外部的协议物理层,FX2 把所有的功能集成在一个芯片上。
  然后下面这幅图片是FX2 控制器的内部结构图(参照了小梅哥的图片,在此安利一波小梅哥的FPGA,真的很好)。
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  对于FX2 来说,可以通过两个不同的模式将 FX2 连接至 FPGA。这两个模式分别为通用可编程接口( GPIF)模式和从设备 FIFO 模式。
  (1)GPIF 模式:在该模式下, FX2 作为外部系统的主设备使用,它所生成的所有控制信号用于对外部系统进行读和写操作。当外部系统不能作为 FX2 的主设备(例如,图像传感器与 FX2 相连接的 USB 摄像机应用)时,通常优先使用 GPIF 模式。在这种情况下,接口实现的复杂操作将由 FX2 执行。
  (2)从设备 FIFO 模式(通常所用的模式,注重了解):在该模式下,连接至 FX2 的外部系统能够生成读和写控制信号,因此,它能作为FX2 的主设备使用。在基于FPGA 的应用中,FX2 一般被配置为从设备 FIFO 模式。下图为FX2 使用从设备FIFO 接口与外部FPGA 连接时的系统框图。
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  简单地说,在从设备FIFO模式下,FX2 中的8051 固件只是配置Slave FIFO 相关的寄存器。配置完成之后FPGA就可以按照Slave FIFO 的时序与主机进行通讯,通讯过程中不需要8051 固件。就相当于FPGA控制一个外设(比如就像控制一个串口一样简单)
  通讯原理搞明白之后就是根据引脚设计威廉希尔官方网站 ,原理图如下图所示:
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  2.下面就介绍如何具体控制USB2.0模块了:
  Cypress 提供了一个基本的开发工具包,供用户开发USB 应用,名为ySuiteUSB3.4,网上关于USB2.0开发的资料也有很多,包括安装 FX2 的开发软件以及安装USB2.0模块的驱动程序,并且很重要的是在使用FPGA 控制USB2.0模块之前要对 USB2.0 芯片烧写固件(不同的应用模式下,所烧写的固件是不一样的)。想要资料可以咨询博主。
  在配置完成之后可以通过官方网站提供的例程和上位机软件,使用FX2 芯片上的8051 完成数据在OUT 和 IN 端点间的搬运工作,在整个数据传输的过程中不需要有外部的设备(FPGA和STM32等控制器),通过USB2.0模块内部就可以完成数据的传输。但是实际工程中往往是将下位机采集到的数据通过USB2.0模块传输到上位机中,所以只通过USB2.0模块自身的数据回环实验是没有多大意义的,所以接下来就介绍如何通过FPGA来控制数据的传输。
  测试USB2.0模块辅助了AD模块(点击这里),将AD模块采集回来的数据通过FPGA送到USB2.0模块上,然后USB2.0模块将数据传输到电脑上,完成数据的高速采集,如下图所示是程序的RTL视图,从RTL视图可以直观地看到USB2.0模块的使用方法:
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  其中关于读取USB2.0模块的数据可以直接通过FPGA软件中的Signal Tap II逻辑分析仪来进行抓取,如图所示:
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