基于FT245BM和FPGA的USB接口設(shè)計(jì)

摘要 介紹了USB 協(xié)議芯片FT245BM的工作原理，設(shè)計(jì)了FT245BM與FPGA的接口電路，給出了FPGA發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)機(jī)的Verilog語(yǔ)言的描述，并介紹了PC機(jī)軟件的設(shè)計(jì)方法。該電路被成功地應(yīng)用到光纖陀螺多路測(cè)試系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了測(cè)試效率。該設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的通用性。
關(guān)鍵字 通用串行總線（USB）  FT245BM   FPGA   狀態(tài)機(jī)

一、引言

USB總線因其傳輸速度快、占用資源少以及真正的即插即用等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大開(kāi)發(fā)者的青睞，已經(jīng)成為很多計(jì)算機(jī)設(shè)備的一種基本配置。目前被廣泛采用的USB設(shè)備開(kāi)發(fā)方案主要有以下兩種（1）利用USB設(shè)備端接口芯片加微控制器結(jié)構(gòu)。如國(guó)內(nèi)用的比較多的Philips公司的PDIUSBD12/ISP1581等。（2）采用USB單片機(jī)。采用這兩種方案要求開(kāi)發(fā)者徹底理解USB協(xié)議的細(xì)節(jié)，并編寫(xiě)出固件程序。固件的運(yùn)行要占用微控制器的時(shí)間和空間資源，實(shí)際通信效率不會(huì)很高。也有人用FPGA實(shí)現(xiàn)固件的功能，但這種方案開(kāi)發(fā)和調(diào)試的難度很大。本人在實(shí)際工作中用FPGA外部直接連接一片USB協(xié)議芯片F(xiàn)T245BM，實(shí)現(xiàn)了FPGA與PC機(jī)的USB通信，該方法不用微控制器，減少了元器件的個(gè)數(shù)，并且占用FPGA資源很少，F(xiàn)PGA仍然可以實(shí)現(xiàn)其他邏輯功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性很大。

二、FT245BM簡(jiǎn)介

FT245BM由FTDI （Future Technology Devices Int. Ltd.）公司推出，該芯片的主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機(jī)通過(guò)USB串行總線接收數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面外設(shè)可通過(guò)并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB串行數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)須考慮固件的設(shè)計(jì)。該芯片提供了通用的并行I/O口方便與微控制器、FPGA或其他外設(shè)接口。在PC機(jī)端安裝了FTDI公司提供的驅(qū)動(dòng)程序，只需熟悉簡(jiǎn)單的VB、VC編程，就可很容易地進(jìn)行上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)。

關(guān)于FT245BM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及詳細(xì)地引腳介紹讀者可以參考其他相關(guān)資料，在此僅對(duì)與本設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容作一個(gè)介紹。FT245BM內(nèi)含兩個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個(gè)是128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，另一個(gè)是384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。它們用作USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)。FIFO實(shí)現(xiàn)與外界（微控制器、FPGA或其它器件）的接口，主要通過(guò)8根數(shù)據(jù)線D0~D7、讀寫(xiě)控制線RD#和WR#以及FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志TXE#和FIFO接收緩沖區(qū)非空標(biāo)志RXF#來(lái)完成數(shù)據(jù)交互。TXE#為低表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)為空，為高表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)滿或者正在存儲(chǔ)前一個(gè)字節(jié)，禁止向緩沖區(qū)中寫(xiě)數(shù)據(jù)。RXF#為低表示當(dāng)前FIFO的接收緩沖區(qū)非空。RD#信號(hào)由低變高將從FIFO緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)RD#變低時(shí)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線。RXF#為高不能從FIFO讀數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)時(shí)序見(jiàn)圖1和圖2。

圖2 寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序

三、           FT245BM與FPGA的接口設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

    圖3是FT245BM的USB與FPGA的接口電路，F(xiàn)PGA選用ALTERA EPF1K50TC-144，其中D0~D7是FT245BM與FPGA交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線，USB_RD#、USB_WR、USB_TXE#、USB_RXF#是相關(guān)的控制總線。

圖3  FT245BM與FPGA的接口電路

3.2   FPGA收發(fā)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

   下面是用Verilog HDL 描述的FPGA收發(fā)狀態(tài)機(jī)，為便于讀者理解FPGA對(duì)FT245BM的讀寫(xiě)過(guò)程，本文將接收和發(fā)送狀態(tài)機(jī)分開(kāi)給出。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中也可以將接收和發(fā)送操作合成一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 接收狀態(tài)機(jī)

    接收狀態(tài)機(jī)主要功能是查詢USB_RXF引腳的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到USB_RXF變低，即可獲知上位機(jī)已經(jīng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FT245BM的緩沖區(qū)，然后產(chǎn)生讀控制時(shí)序，將FT245BM接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀入到FPGA的緩沖區(qū)。重復(fù)以上步驟直到將一幀數(shù)據(jù)讀完，然后執(zhí)行相應(yīng)的幀處理操作。下面是用Verilog HDL描述的接收狀態(tài)機(jī)。

@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時(shí)鐘。

if(rst && USB_RXF==0)

begin

       case(Rstate)

        Rstate0:

 begin

          USB_RD<=0;      /*產(chǎn)生讀信號(hào)的下降沿

          Rstate<=Rstate1;

        end

        Rstate1:

begin

RframeBuf[Rpointer]<=USB_DATA; /*讀FT245BM芯片F(xiàn)IFO的當(dāng)前字節(jié)

Rstate<=Rstate2;

              end

        Rstate2:

          begin

            if(Rpointer== FrameLen-1) /*如果已經(jīng)接收到完整的一幀,則轉(zhuǎn)Rstate3,

              begin

              Rstate<=Rstate3;

                Rpointer<=0;

             end 

           else            /*一幀未接收完,轉(zhuǎn)Rstate0繼續(xù)接收

           begin

            Rstate<=Rstate0;

            Rpointer<=Rpointer+1;

           end

           USB_RD<=1;

          end

       Rstate3:        /*處理收到的幀

         begin

           Rstate<=Rstate0;

           /*在此添加處理幀的代碼，本文略*/

         end

     end

else

  begin

       Rstate<=Rstate0;

       USB_RD<=1;

     End

3.2.2  發(fā)送狀態(tài)機(jī)

發(fā)送狀態(tài)機(jī)完成的主要功能是將外設(shè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)FT245BM和USB總線傳送到PC機(jī)。外設(shè)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，將發(fā)送允許信號(hào)（SendEN）置為有效，當(dāng)狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到SendEN=1時(shí)，即啟動(dòng)發(fā)送操作。首先狀態(tài)機(jī)從外設(shè)的緩沖區(qū)按字節(jié)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)讀到FPGA的緩沖區(qū)，并產(chǎn)生寫(xiě)FT245BM發(fā)送緩沖區(qū)的時(shí)序，將數(shù)據(jù)寫(xiě)到FT245BM發(fā)送緩沖區(qū)。直到將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。下面是FPGA向FT245BM發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)。

@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時(shí)鐘。

if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)   /*rst為異步復(fù)位信號(hào), SendEN為發(fā)送允許信號(hào)，由給Pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯電路置位，數(shù)據(jù)發(fā)送完成由發(fā)送狀態(tài)機(jī)將其清除。

  begin

    case(Sstate)

     Sstate0:

        begin

          USB_WR<=1;      /*產(chǎn)生寫(xiě)信號(hào)的上升沿

          Sstate<=Sstate1;

        end

     Sstate1:

begin

USB_DATA <=SframeBuf[Spointer];   /*寫(xiě)一個(gè)字節(jié)到FIFO，SframeBuf為發(fā)送緩沖區(qū)

Sstate<=Sstate2;

            end

     Sstate2:

        begin

          if(Spointer == FrameLen-1)    /*如果已經(jīng)發(fā)送完一幀,則轉(zhuǎn)Sstate3,

            begin

            Sstate<=Sstate3;

              Spointer <=0;

            end 

          else            /*未完,轉(zhuǎn)Sstate0繼續(xù)發(fā)送

           begin

             Sstate<=Sstate0;

             Spointer <= Spointer +1;

           end

         USB_WR<=0;         /*產(chǎn)生寫(xiě)usb FIFO信號(hào)的下降沿

        end

     Sstate3:       

       begin

         Sstate<=Sstate0;

         /*在此添加處理幀發(fā)送完畢的代碼和清除SendEN 信號(hào)的代碼，本文略*/

       end

  end

else

  begin

    Sstate<=Sstate0;

    USB_WR<=0;

  End

限于篇幅，以上狀態(tài)機(jī)只給出了幀收發(fā)的基本操作，因?yàn)樵诓煌膽?yīng)用場(chǎng)合，幀處理的方法也不相同，所以本文沒(méi)有給出幀處理代碼。另外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意以下內(nèi)容：由于FPGA讀寫(xiě)FT245BM共用一組數(shù)據(jù)總線，狀態(tài)機(jī)不能同時(shí)對(duì)FT245BM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，當(dāng)所以當(dāng)兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分開(kāi)編寫(xiě)時(shí)，為避免沖突需分出讀寫(xiě)的優(yōu)先級(jí)，此時(shí)只需對(duì)以上狀態(tài)機(jī)稍加修改即可。比如當(dāng)若令讀的優(yōu)先級(jí)高，則在寫(xiě)的狀態(tài)機(jī)中將if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)語(yǔ)句的條件改為if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1&& USB_RXF==1)即可。寫(xiě)優(yōu)先級(jí)高的情況可以仿照此方法修改。

四、PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)軟件的設(shè)計(jì)有兩種方法：一種是在PC機(jī)上安裝一個(gè)由FTDI公司免費(fèi)提供的虛擬串行口VCP（Virtual COM Port）驅(qū)動(dòng)程序，將USB口虛擬成一個(gè)串口，像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口那樣進(jìn)行進(jìn)行外設(shè)和PC機(jī)的通信?？杀举|(zhì)上所有針對(duì)虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是通過(guò)USB總線完成的。另外一種方法是利用FTDI公司提供的D2XX驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)直接訪問(wèn)USB。由于人們對(duì)串口的操作比較熟悉，通常用前一種方法訪問(wèn)USB。比如，在PC端，應(yīng)用VB對(duì)VCP（通常設(shè)置為COM3）進(jìn)行編程?？梢灾苯討?yīng)用MSComm控件，將MSComm.CommPort置為3，MSComm.Setings置為“9600，n，8，1”（該速率為默認(rèn)設(shè)置，實(shí)際上VCP驅(qū)動(dòng)程序總是使數(shù)據(jù)以最快速率傳輸）；通過(guò)MSComm.PortOpen設(shè)置COM3的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；通過(guò)MSComm.Input和MSComm.Output讀入或輸出數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置MSComm.Rthreshold的值為1。只要有數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，就立即觸發(fā)MSComm.CommEvent事件，自動(dòng)讀取COM3的數(shù)據(jù)；而發(fā)送數(shù)據(jù)則可自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)送，由用戶自己設(shè)置。以上操作與操縱標(biāo)準(zhǔn)的串行口完全一致。

五、結(jié)語(yǔ)

以上狀態(tài)機(jī)在MaxPlusII10.2下調(diào)試并下載到FPGA運(yùn)行通過(guò)，軟件在Windows 2000，VB6.0環(huán)境下調(diào)試通過(guò)。該電路成功應(yīng)用到光纖陀螺多路測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)4路陀螺信號(hào)的同時(shí)測(cè)試，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了測(cè)試效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] FT245BM data sheet. Future Technology Devices Int. Ltd.

[2] 夏宇聞. Verilog 數(shù)字系統(tǒng)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004

[3] 張俊安. 用VB實(shí)現(xiàn)windows 9x環(huán)境下的串口通信[J]. 山東煤炭科技, 2000年增刊:73~74