基于USB 2．0總線的航天設(shè)備地面檢測系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于USB 2．0總線的接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要運用于航天設(shè)備的地面檢測中。討論了USB 2．0控制器CY7C68013A與FPGA構(gòu)成接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方式以及系統(tǒng)的通用性，著重論述了通用接口設(shè)計中的注意事項以及影響USB 2．0設(shè)備速度的因素。應(yīng)用結(jié)果表明，USB 2．0轉(zhuǎn)換的接口有很強的通用性，能達到很高的傳輸速率，可以廣泛地運用于航天設(shè)備地面檢測以及普通工業(yè)測試系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：USB 2．0；DMA；FPGA；CY7C68013A

0 引言
    通用串行總線USB 2．0因其可熱插拔特性以及傳輸速度高而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在高速傳輸模式下可以達到480 Mb／s。相對于通用串口而言，USB 2．0有速度高的優(yōu)點，數(shù)據(jù)的接收發(fā)送速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于RS 232等接口。而相對于PCI而言，USB 2．0具有熱插拔以及安裝方便的優(yōu)點，不需要停止計算機設(shè)備的運行便可以進行安裝拆卸。因此，考慮到以上優(yōu)點，可以通過FPGA將其轉(zhuǎn)換為各種不同接口以滿足不同
的應(yīng)用需求。
    USB接口擁有傳輸速度高、應(yīng)用廣泛的特點。在航天設(shè)備的檢測中，經(jīng)常需要處理多種不同的接口和不同數(shù)據(jù)格式，可以將USB 2．0接口加以轉(zhuǎn)換，在一個設(shè)備中集成多種不同的接口。本系統(tǒng)將PC機上的一個USB 2．0接口轉(zhuǎn)換為LVDS(Low Voltage Differential Signal)以及RS 422等接口，同時通過PC上位機軟件模擬相關(guān)的接口數(shù)據(jù)，使得航天設(shè)備的檢測變得更加簡便快捷。同時由于系統(tǒng)采用了可編程邏輯器件FPGA作為系統(tǒng)接口轉(zhuǎn)換單元，可以通過改變FPGA中的邏輯使系統(tǒng)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，加快了系統(tǒng)在不同運用場合下的開發(fā)速度，使系統(tǒng)具有很高的通用性。
    系統(tǒng)采用Cypress公司的USB控制器Cy7C68013A以及Actel公司的APA300系列FPGA作為系統(tǒng)的主要部分，實現(xiàn)了USB 2．0總線與多種航天設(shè)備接口之間的互相轉(zhuǎn)換，并成功運用于多個衛(wèi)星任務(wù)有效載荷的地面檢測中。本文給出了USB 2．0到各種接口轉(zhuǎn)換電路的相關(guān)軟硬件方案，同時討論了影響USB 2．0速度的相關(guān)問題。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
1．1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
    本系統(tǒng)主要用于航天設(shè)備的地面檢測中，通常需要涉及多種接口，如RS 422，LVDS等，同時需要模擬外部的開關(guān)控制信號等，涉及的信號接口比較雜。在最初設(shè)計中，該檢測設(shè)備主要用于某型號衛(wèi)星電子設(shè)備接口功能和性能的測試，具體要求如下：
    (1)模擬有效載荷功能，通過LVDS接口發(fā)送原始圖像數(shù)據(jù)至測控接口單元，共4路LVDS接口信號，分別為幀同步、行同步、時鐘和數(shù)據(jù)，傳輸速率為5 Mb／s；
    (2)模擬相關(guān)功能，通過雙向異步RS 422串行接口與其他有效載荷接口通信，發(fā)送載荷的工程參數(shù)并接收控制信息然后執(zhí)行相應(yīng)動作，接口速率為115．2 Kb／s；
    (3)衛(wèi)星平臺接收來自有效載荷的圖像數(shù)據(jù)，接口為LVDS，數(shù)據(jù)傳輸速率為5 Mb／s；
    (4)模擬載荷單元向衛(wèi)星平臺輸出8路模擬量遙測信號；
    (5)模擬相關(guān)載荷輸出6路遙控指令接口，指令接口為集電極開路輸出。
    系統(tǒng)采用可編程邏輯器件完成相關(guān)的邏輯以及接口轉(zhuǎn)換，配合USB接口控制芯片完成系統(tǒng)的相關(guān)功能和需求。硬件設(shè)計的原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    如圖1所示，地面檢測設(shè)備主要由USB接口轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA，各種通信接口模塊，以及其他的輔助模塊(包括電源，時鐘和復(fù)位模塊等)組成。
    (1)USB接口轉(zhuǎn)換模塊采用Cypress公司的USB協(xié)議芯片CY7C68013A完成USB接口到其他總線接口的轉(zhuǎn)換。該芯片基于Cypress公司的FX2LP平臺，兼容FX2系列，同時在芯片中集成了USB 2．0收發(fā)控制器以及一個增強型的8051單片機。CY7C68013A同時支持多種傳輸方式，可以通過編程配置為所需要的工作模式。
    (2)FPGA模塊作為整個系統(tǒng)的邏輯控制轉(zhuǎn)換核心，完成USB 2．0接口數(shù)據(jù)到外圍接口數(shù)據(jù)之間的互相轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用Actel公司的APA30 0系列的FPGA，其內(nèi)部邏輯如圖2所示。

1．2 USB與LVDS接口的互相轉(zhuǎn)換
    以USB和LVDS接口之間的轉(zhuǎn)換為例來說明USB 2．0到各種接口之間的轉(zhuǎn)換方法。LVDS是一種常用的穩(wěn)定的高速串行總線，具有傳輸速度高和穩(wěn)定的優(yōu)點，廣泛運用于航天、軍工以及各種工業(yè)產(chǎn)品中。
    在處理LVDS數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)之后，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯對數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換，然后對數(shù)據(jù)進行封裝即添加數(shù)據(jù)包頭和包尾，之后將數(shù)據(jù)放入到LVDS專用的FIFO中。數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯監(jiān)測CY7C68013A的總線是否繁忙，如果總線空閑同時FIFO中有需要上傳到PC機的數(shù)據(jù)，就將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到USB控制器，USB控制器再將數(shù)據(jù)傳送到PC機中。
    PC上位機到外圍LVDS接口的數(shù)據(jù)傳輸過程與此類似，上位機USB 2．0接口和RS 422等接口之間的互相轉(zhuǎn)換邏輯也采用類似方法完成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成，即USB 2．0芯片的固件程序以及PC上位機的數(shù)據(jù)收發(fā)處理程序，下面分別加以簡要介紹。
2．1 USB固件設(shè)計
    設(shè)備固件程序的主要功能是對CY7C68013A總線芯片的相關(guān)寄存器進行初始化，從而控制FX2LP的數(shù)據(jù)收發(fā)，同時處理USB驅(qū)動程序的請求(如請求設(shè)備描述符或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，請求或設(shè)置設(shè)備接口等USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)請求)，控制芯片中應(yīng)用程序控制指令的接收和執(zhí)行等。CY7C6801 3A內(nèi)部集成了一個增強型的8051單片機，其配置程序的編寫與下載和標(biāo)準(zhǔn)的8051處理器相同，方便了用戶的開發(fā)。
    CY7C68013A支持Slave FIFOs和General Programmable Interface(GPIF)2種工作模式。其中Slave FIFOs主要用于外部包含有控制邏輯的系統(tǒng)中，在這種工作模式下，CY7C68013A的內(nèi)部CPU并不直接接觸和處理數(shù)據(jù)，此時CY7C68013A只是簡單的用作USB接口和外部控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。而GPIF則用于外部沒有控制器的系統(tǒng)中，此時CY7C68013A通過GPIF接口控制數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)采用了Aetel的FPGA作為外部的數(shù)據(jù)控制及接口轉(zhuǎn)換邏輯，所以系統(tǒng)采用Slave FIFOs工作模式，CY7C68013A只是簡單的用于USB接口和FPGA之間的數(shù)據(jù)傳遞。
    USB有四種標(biāo)準(zhǔn)的傳輸模式，本系統(tǒng)涉及到高速數(shù)據(jù)的傳輸，所以根據(jù)實際需要選用Slave FIFO中的批量傳輸(Bulk)模式，同時為了減少USB芯片自帶增強型8051處理器對數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，本系統(tǒng)將CY7C68013A配置為自動數(shù)據(jù)傳輸模式，使得數(shù)據(jù)傳輸不用經(jīng)過8051，此時USB內(nèi)部的CPU控制器不直接參與數(shù)據(jù)的傳輸，其原理如圖3所示。

    本系統(tǒng)分別采用2和6號端點分別負(fù)責(zé)輸出和輸入數(shù)據(jù)的處理工作，兩個端點分別有512 B×4的FIFO，此時CY7C68013A的內(nèi)部FIFO配置如圖4所示。

2．2 上位機應(yīng)用軟件
2．2．1 DMA傳輸方式
    除了通信協(xié)議開銷、帶寬分配以及USB使用的電磁環(huán)境等之外，在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，還必須考慮操作系統(tǒng)對USB數(shù)據(jù)傳輸速率的影響。
    PC機的通用操作系統(tǒng)Windows并不是一個嚴(yán)格的實時操作系統(tǒng)，所以在進行USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，操作系統(tǒng)的分時調(diào)度策略會給數(shù)據(jù)傳輸速率帶來很大的影響。Windows的每個時間片長度約為20 ms，如果要經(jīng)過操作系統(tǒng)的調(diào)度，USB數(shù)據(jù)收發(fā)進程將會在占用CPU一個時間片之后就交出控制權(quán)，等待下次獲得CPU控制權(quán)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)收發(fā)速率的降低。
    因此，為了提高USB傳輸速率，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，也就是使數(shù)據(jù)的傳輸不用經(jīng)過CPU的處理，從而減去操作系統(tǒng)分時機制的影響。Cypress公司提供了相關(guān)的支持DMA傳輸方式的接口即“CYAPI”，它較好將底層操作函數(shù)封裝為9個類，便于操作；同時CYAPI內(nèi)部集成了多線程的操作，數(shù)據(jù)開始傳輸之后用戶便可以返回繼續(xù)操作其他的內(nèi)容，不需要用戶在程序中自己處理相關(guān)的線程操作或者等到數(shù)據(jù)收發(fā)完畢再繼續(xù)進行其他工作。
2．2．2 軟件操作
    為了提高數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)不在數(shù)據(jù)接收的過程中處理數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)直接存儲，數(shù)據(jù)傳輸完畢之后再進行相關(guān)分析處理，因為數(shù)據(jù)處理過程也會引入操作系統(tǒng)時間片的延時。為了提高數(shù)據(jù)的接收和存儲速度，系統(tǒng)采用多線程結(jié)合乒乓存儲的方式接收、存儲數(shù)據(jù)。乒乓存儲是通常在硬件設(shè)計中使用的快速存儲方式，應(yīng)用到本系統(tǒng)中，一個線程接收數(shù)據(jù)的時候，另一個線程便存儲數(shù)據(jù)，來回對2個內(nèi)存區(qū)域分別進行操作，從而減少系統(tǒng)延時，加快系統(tǒng)的處理速度，詳細(xì)的流程如圖5所示。

    如圖5所示，本系統(tǒng)采用了兩個線程Read和Write用于數(shù)據(jù)的接收和存儲，線程Read專用于讀取USB接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并存儲到Buffer中，線程Write則從Buffer中提取數(shù)據(jù)并存儲到文件中。兩個線程通過Full和Empty來互斥其對緩存操作，從而保證數(shù)據(jù)存儲的正確。
    本系統(tǒng)采用Cypress公司設(shè)計的專用函數(shù)接口CYAPI進行軟件設(shè)計，CYAPI相對于以前的接口具有很大的優(yōu)點，它集成了DMA和多線程的操作，提高系統(tǒng)速度的同時簡化了用戶的軟件開發(fā)。使用CYAPI進行數(shù)據(jù)傳輸操作最主要的是正確的使用Begin-DataXfer、WaitForXfer和Fini-sh DataXfer三個函數(shù)，同時應(yīng)該注意的是，在數(shù)據(jù)接收發(fā)送過程中應(yīng)該對函數(shù)FinishDataXfer的返回值加以判斷，否則在惡劣的電磁環(huán)境中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤的情況。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)利用USB 2．0總線實現(xiàn)了各種接口的轉(zhuǎn)換，利用PC機的一個USB口便轉(zhuǎn)換為多種接口，很好的契合了航天設(shè)備檢測中設(shè)備接口種類多，數(shù)據(jù)格式雜的應(yīng)用背景。利用一個USB接口便完成了系統(tǒng)需求，極大的節(jié)省了PC機資源，同時一個電路板便可以解決大量設(shè)備的檢測驗證工作，大大簡化便捷了相關(guān)的工作。采用可編程邏輯器件處理相關(guān)接口轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)收發(fā)工作，只需要改變FPGA代碼便可以實現(xiàn)不同任務(wù)的需求，極大的提高的系統(tǒng)的可重復(fù)利用率。
    實踐證明，USB 2．0的高速性能夠滿足多種接口速度的需要，熱插拔性極大的方便了該系統(tǒng)的使用，該地面檢測系統(tǒng)已經(jīng)運用于多個航天器的檢測中，很好的滿足了項目的需求，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的目的。