基于FIFO寫數(shù)據(jù)方式的USB接口信號發(fā)生器設(shè)計

陶彥輝，劉克毅

（新疆工程學(xué)院 機械工程系，新疆 烏魯木齊 830000）

1 FIFO寫數(shù)據(jù)方式

FIFO寫數(shù)據(jù)方式是重要的GPIF可編程接口數(shù)據(jù)模式傳輸方法。GPIF為內(nèi)部通用可編程接口，其對外部FIFO或內(nèi)部同步FIFO控制方法采用主機控制，即采用內(nèi)部集成的控制邏輯實現(xiàn)對USB端點FIFO的控制。GPIF模式使用外部同步FIFO芯片時，數(shù)據(jù)傳輸速率達480Mb/s；GPIF模式使用USB自帶的FIFO時，其傳輸速率也可達96Mb/s，所以GPIF模式極適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。GPIF可編程接口模式內(nèi)部端點的數(shù)據(jù)傳輸方式有：單字節(jié)讀、寫數(shù)據(jù)傳輸和FIFO讀、寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸［1］。

FIFO寫數(shù)據(jù)方式是通過USB芯片主機直接傳輸數(shù)據(jù)到芯片端點的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)EPxFIFOBUF邏輯單元之中，繼而再通過程序?qū)懭胪獠縁IFO或內(nèi)部FIFO邏輯。USB芯片F(xiàn)IFO寫數(shù)據(jù)方式如圖1所示。GPIF可編程接口模式中的FIFO寫數(shù)據(jù)方式是通過時鐘觸發(fā)實現(xiàn)動作的，F(xiàn)IFO寫數(shù)據(jù)方式觸發(fā)時序圖如圖2所示。寫波形圖程序初始化設(shè)定GPIFADR

圖1 USB芯片F(xiàn)IFO寫數(shù)據(jù)方式

值為0x0000，隨著IFCLK時鐘的動作，F(xiàn)IFO邏輯中存儲的信息將按時鐘動作次序?qū)懭霐?shù)據(jù)總線之中，同時數(shù)據(jù)指針將伴隨著時鐘的動作而自動增加，這個過程不斷重復(fù)以便完成數(shù)據(jù)的連續(xù)寫入。當(dāng)FIFO邏輯中的數(shù)據(jù)寫完后，GPIF可編程接口將會得到一個觸發(fā)指令，使其處于空閑狀態(tài)［2］。

2 FIFO寫數(shù)據(jù)方式在USB接口波形發(fā)生器中的應(yīng)用

2.1 硬件設(shè)計

硬件部分的主控芯片采用EZ－USB系列USB芯片CY7C68013，128腳封裝，數(shù)據(jù)緩存使用CY7C68013自帶的同步FIFO邏輯。D/A轉(zhuǎn)換芯片使用8位DAC的MAX5384，參考電壓為5V，USB接口供電。晶振選用24MHz有源晶振。

圖2 FIFO寫數(shù)據(jù)方式觸發(fā)時序圖

主控USB芯片在以FIFO寫數(shù)據(jù)方式工作時必須采用GPIF模式接法，即需要連接USB芯片的GPIF可編程接口引腳。GPIF可編程接口的引腳FD0與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊MAX5384的引腳DIN連通；USB芯片內(nèi)部同步FIFO邏輯中的數(shù)據(jù)將通過引腳FD0輸送至MAX5384。GPIF可編程接口的引腳FIFOADR1與引腳CS連通，當(dāng)FIFOADR1電壓由低電平至高電平上升時，數(shù)模轉(zhuǎn)換開始［3］。FIFO寫數(shù)據(jù)方式信號發(fā)生部分電路連接如圖3所示。

2.2 固件程序

USB芯片固件程序分為基本固件程序及GPIF波形圖固件程序。基本固件程序由Keil uVision3編寫，GPIF波形圖固件程序由USB芯片的波形圖設(shè)計軟件GPIFDesigner編寫［4］。

2.2.1 基本固件程序

FIFO寫數(shù)據(jù)方式的基本固件程序核心部分是將數(shù)據(jù)由內(nèi)部同步FIFO中寫入到外部DA5384上，其主要代碼如下：

圖3 FIFO寫數(shù)據(jù)方式信號發(fā)生部分電路連接

2.2.2 GPIF波形圖固件程序

GPIF波形圖固件程序的設(shè)計需按電路圖中的USB芯片和D/A轉(zhuǎn)換芯片連接方式完成軟連接之后才能開始，GPIF Designer實現(xiàn)CY7C68013和MAX5384接口軟連接。在GPIF Designer中利用FIFOWr項目完成FIFO寫波形圖固件程序。

2.3 上位機應(yīng)用程序

上位機應(yīng)用程序由VC＋＋開發(fā)，在VC＋＋程序中調(diào)用cyioctl控制函數(shù)的UsbOpenDriver（＆hDevice，DeviceName）打開USB設(shè)備接口端口，讀取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。信號發(fā)生器程序有兩個模塊：信號產(chǎn)生模塊和信號發(fā)送模塊。信號產(chǎn)生模塊主要是利用程序產(chǎn)生正、反鋸齒形信號，正、余弦信號，方波信號和隨機信號等。信號發(fā)送模塊是將程序產(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)發(fā)送至USB芯片。

2.3.1 信號產(chǎn)生模塊

信號產(chǎn)生模塊就是生成信號數(shù)據(jù)，信號數(shù)據(jù)由公式生成。其中方波信號生成程序的主要代碼如下：

2.3.2 信號發(fā)送模塊

信號發(fā)送模塊的作用是將信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送至USB芯片中。信號發(fā)送模塊主要是利用cyioctl控制函數(shù)方法［5］中的 DeviceIoControl（）函數(shù)來完成，主要程序代碼如下：

3 結(jié)束語

采用示波器調(diào)試后，該虛擬儀器基本實現(xiàn)了電壓信號的發(fā)生，利用USB接頭電源虛擬儀器可以按設(shè)計要求發(fā)出正、反鋸齒形信號，正、余弦信號，方波信號和隨機信號等。虛擬儀器輸出端輸出的信號電壓設(shè)計幅度值為0V～3.2V，輸出的信號電壓設(shè)計頻率為6MHz。但設(shè)計中也存在一些缺陷，硬件部分沒有考慮信號干擾問題，導(dǎo)致示波器調(diào)試時出現(xiàn)信號變形，產(chǎn)生信號的參數(shù)不可調(diào)，不能自定義信號，后續(xù)將在設(shè)計中增加自定義參數(shù)模塊。

［1］陳瑩.基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011：10－12.

［2］錢峰.EZ－USB FX2單片機原理、編程及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］仝瑞普.基于slave FIFO模式USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008：19－26.

［4］兀穎.基于 USB 3.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：中國科學(xué)院大學(xué)，2013：39－45.

［5］薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京：人民郵電出版社，2007.