基于USB3.0技術(shù)和FPGA器件實(shí)現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多串口數(shù)據(jù)通信技術(shù)主要研究數(shù)據(jù)的多串口采集、存儲(chǔ)和處理。由于串口通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得多串口采集卡一直是研究的熱點(diǎn)，從早期的基于PCI總線的多串口數(shù)據(jù)采集卡到后來(lái)的基于USB的多串口數(shù)據(jù)采集卡，以及現(xiàn)在的基于USB3.0的多串口數(shù)據(jù)采集卡。

PCI采集卡由于使用不方便，逐漸被淘汰，目前USB傳輸系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。USB2.0理論傳輸速度為480Mb/s，而USB3.0的傳輸速率可高達(dá)5Gb/s，且在USB2.0的基礎(chǔ)上又增加了超高速傳輸模式。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中有80個(gè)485傳輸通道，每個(gè)通道的速率為1~10Mb/s，最高傳輸速率可達(dá)800Mb/s，USB2.0已不能滿(mǎn)足此要求。因此本文采用了Cypress的CYUSB3014和Altera的CycloneIII系列FPGA，CYUSB3014保證與PC的傳輸性能，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)多串口數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)CYUSB3014的控制。

1 EZ-USB3.0 FX3與FPGA接口設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框架

整個(gè)多串口數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中虛線部分為該系統(tǒng)的硬件框圖，整個(gè)系統(tǒng)由3部分組成，USB3.0芯片選擇了業(yè)界性能表現(xiàn)最好的Cypress的CYUSB3014芯片（簡(jiǎn)稱(chēng)FX3芯片），理論上通信速率可達(dá)4.8Gb/s，該芯片除了擁有GPIF2.0接口可方便與外設(shè)進(jìn)行通信外，還有標(biāo)準(zhǔn)的SPI、UART、I2C、I2S與外設(shè)進(jìn)行通信；FPGA采用了Cyclone3C40系列的芯片，邏輯資源、片上RAM以及I/O腳數(shù)目都能充分滿(mǎn)足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)；80路485傳輸芯片采用了ADI的ADM3485E，是一款3.3V低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)器，提供±15kV的ESD保護(hù)，適用于多點(diǎn)總線線路的半雙工通信。共模輸入范圍-7V~+12V，數(shù)據(jù)速率可達(dá)12Mb/s，能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖1多串口數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

1.2 FX3與FPGA的通信設(shè)計(jì)

FX3與FPGA通信主要分為兩類(lèi)：

（1）FX3對(duì)FPGA的配置信息：PC通過(guò)FX3將串口的相關(guān)信息發(fā)送給FPGA，如各串口的奇偶校驗(yàn)、波特率、空閑位、每路的統(tǒng)計(jì)信息等配置，此類(lèi)信息數(shù)據(jù)量比較小；

（2）FX3與FPGA的大容量數(shù)據(jù)通信：FPGA將485采集的數(shù)據(jù)通過(guò)FX3傳輸?shù)絇C.

為了有效地利用FX3的超高速數(shù)據(jù)傳輸特性，針對(duì)這兩種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，本設(shè)計(jì)將兩種數(shù)據(jù)通道分開(kāi)設(shè)計(jì)，其中配置信息較少，而采集的485數(shù)據(jù)容量很大，為了不使配置信息數(shù)據(jù)打斷485數(shù)據(jù)通道，將配置信息和數(shù)據(jù)信息通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的通道進(jìn)行傳輸，其中配置信息采用了通過(guò)FX3的UART和FPGA進(jìn)行通信，通信格式如下：

①EZ-USB向FPGA發(fā)送命令格式

②FPGA返回命令格式

FX3每發(fā)一條配置參數(shù)給FPGA，F(xiàn)PGA都會(huì)返回相應(yīng)配置回應(yīng)，并通知FX3可以繼續(xù)發(fā)送下一條配置信息，在配置信息都發(fā)送完成后，F(xiàn)X3最后會(huì)發(fā)送一條配置完成命令，此時(shí)FPGA會(huì)啟動(dòng)外圍接口電路進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。

2 USB3.0芯片固件設(shè)計(jì)

Cypress公司為USB3.0芯片提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)包，其中包括了典型的固件代碼。對(duì)USB3.0芯片固件的設(shè)計(jì)，可利用EZ-USBFX3固件函數(shù)庫(kù)簡(jiǎn)化加速USB3.0固件程序的開(kāi)發(fā)。固件程序主要完成的工作有：初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求及USB掛起時(shí)的電源管理等。任務(wù)循環(huán)的流程圖如圖2所示。

圖2任務(wù)循環(huán)流程圖

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

FPGA采用了Altera公司的CycloneIII系列的3C40-C8，其邏輯門(mén)數(shù)有200萬(wàn)門(mén)左右，最高工作頻率可以達(dá)到300MHz.整個(gè)工程使用了Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，整個(gè)工程的綜合、布局布線都是在Quartus11.0版本下進(jìn)行，仿真軟件使用Modelsim6.5se版本。本設(shè)計(jì)中FPGA邏輯設(shè)計(jì)主要包括485數(shù)據(jù)采集模塊及與FX3的讀寫(xiě)時(shí)序控制邏輯，整個(gè)工程使用邏輯單元，片上RAM使用率接近系統(tǒng)的95%，整個(gè)系統(tǒng)工作頻率為100MHz.

3.1邏輯模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的邏輯模塊分為時(shí)鐘模塊、FX3發(fā)送/接收緩存模塊、發(fā)送/接收控制模塊、FX3讀寫(xiě)控制模塊、485接收模塊、485發(fā)送模塊以及配置串口參數(shù)模塊。

整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為兩個(gè)過(guò)程：485數(shù)據(jù)采集過(guò)程和485發(fā)送控制命令過(guò)程。

（1）485數(shù)據(jù)采集過(guò)程：485數(shù)據(jù)通過(guò)485接收模塊傳送給FX3接收緩存模塊，在FX3數(shù)據(jù)接口沒(méi)有被占用時(shí)，通過(guò)FX3讀寫(xiě)控制模塊發(fā)送給USB3.0芯片并傳到PC端。

（2）485數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程：USB3.0芯片通過(guò)FX3讀寫(xiě)控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到FX3發(fā)送緩存模塊中，在收發(fā)控制模塊檢測(cè)到相關(guān)串口空閑后通過(guò)485發(fā)送模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

485收發(fā)相對(duì)于USB3.0速度來(lái)說(shuō)，屬于慢速設(shè)備。為了提高USB3.0總線利用率，此處只設(shè)計(jì)了兩種緩存，即接收緩存和發(fā)送緩存，大小都設(shè)置為512KB，80路的485接收和發(fā)送buffer最終都匯聚到這兩種緩存上，有效地減少了短包和空包發(fā)生率。

3.2 FX3接口時(shí)序

FPGA與FX3之間采用了Slavefifo模式，F(xiàn)PGA通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志的flaga、flagb、flagc、flagd來(lái)判斷FX3的接收/發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)flaga/flagc為高時(shí)，表示FX3緩存中接收到了數(shù)據(jù)；當(dāng)flagb/flagd為高時(shí)，表示FX3的發(fā)送緩存為非滿(mǎn)狀態(tài)，F(xiàn)PGA可對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)操作。

圖3所示為FX3的A通道讀時(shí)序，F(xiàn)PGA先檢測(cè)i_usb_flaga是否為高電平，如果為高電平則表示A通道buffer中有數(shù)據(jù)可讀，此時(shí)將通道地址信號(hào)設(shè)置為0，片選信號(hào)o_usb_slcs_n/o_usb_sloe_n拉低，o_usb_slrd_n信號(hào)拉低后，在4個(gè)時(shí)鐘之后，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在io_usb_dq上，如果進(jìn)行寫(xiě)操作則將o_usb_slwr_n拉低。對(duì)應(yīng)的通道號(hào)地址選對(duì)，同時(shí)將片選信號(hào)拉低即可，寫(xiě)通道時(shí)序如圖4所示。

圖3 FX3的A通道數(shù)據(jù)讀取時(shí)序

圖4 FX3的B通道寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序

4通信速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Cypress的Streamer軟件，可以測(cè)試該USB3.0傳輸系統(tǒng)的傳輸速率。將Packets per Xfer設(shè)置為256，在win764位下（電腦配置為華碩N53XI241SN，F(xiàn)resco FL1000系列的控制器）的傳輸速率測(cè)試結(jié)果為2.5Gb/s，滿(mǎn)足了整個(gè)系統(tǒng)的性能，如圖5所示。

圖5讀速率測(cè)試結(jié)果圖

該系統(tǒng)適合于超高速數(shù)據(jù)的傳輸，具有電路簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。FPGA技術(shù)與USB3.0的結(jié)合有極大的靈活性和可擴(kuò)展性，基于FPGA和USB3.0的突出優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)計(jì)方案必將應(yīng)用在更廣闊的領(lǐng)域。