基于USB3.0和FPGA的多串口傳輸系統設計

　　多串口數據通信技術(shù)主要研究數據的多串口采集、存儲和處理。由于串口通信技術(shù)的廣泛應用，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(xiàn)的多串口數據采集卡到后來(lái)的基于USB的多串口數據采集卡，以及現在的基于USB3.0的多串口數據采集卡。

　　PCI采集卡由于使用不方便，逐漸被淘汰，目前USB傳輸系統被廣泛應用。USB2.0理論傳輸速度為480Mb/s，而USB3.0的傳輸速率可高達5Gb/s，且在USB2.0的基礎上又增加了超高速傳輸模式。本文設計的系統中有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，FPGA負責多串口數據的采集以及對CYUSB3014的控制。

　　1 EZ-USB3.0 FX3與FPGA接口設計

　　1.1系統框架

　　整個(gè)多串口數據采集與傳輸系統框圖如圖1所示。圖中虛線(xiàn)部分為該系統的硬件框圖，整個(gè)系統由3部分組成，USB3.0芯片選擇了業(yè)界性能表現最好的Cypress的CYUSB3014芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)FX3芯片)，理論上通信速率可達4.8Gb/s，該芯片除了擁有GPIF2.0接口可方便與外設進(jìn)行通信外，還有標準的SPI、UART、I2C、I2S與外設進(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腳數目都能充分滿(mǎn)足本系統設計;80路485傳輸芯片采用了ADI的ADM3485E，是一款3.3V低功耗數據收發(fā)器，提供±15kV的ESD保護，適用于多點(diǎn)總線(xiàn)線(xiàn)路的半雙工通信。共模輸入范圍-7V~+12V，數據速率可達12Mb/s，能滿(mǎn)足本系統的設計要求。

　　圖1多串口數據傳輸系統框圖

　　1.2 FX3與FPGA的通信設計

　　FX3與FPGA通信主要分為兩類(lèi)：

　　(1)FX3對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、波特率、空閑位、每路的統計信息等配置，此類(lèi)信息數據量比較小;

　　(2)FX3與FPGA的大容量數據通信：FPGA將485采集的數據通過(guò)FX3傳輸到PC.

　　為了有效地利用FX3的超高速數據傳輸特性，針對這兩種不同的數據類(lèi)型，本設計將兩種數據通道分開(kāi)設計，其中配置信息較少，而采集的485數據容量很大，為了不使配置信息數據打斷485數據通道，將配置信息和數據信息通過(guò)兩個(gè)獨立的通道進(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：

　?、貳Z-USB向FPGA發(fā)送命令格式

　?、贔PGA返回命令格式

　　FX3每發(fā)一條配置參數給FPGA，FPGA都會(huì )返回相應配置回應，并通知FX3可以繼續發(fā)送下一條配置信息，在配置信息都發(fā)送完成后，FX3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)入正常的數據采集過(guò)程。

　　2 USB3.0芯片固件設計

　　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USB3.0芯片固件的設計，可利用EZ-USBFX3固件函數庫簡(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、處理標準的USB設備請求及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邏輯設計

　　FPGA采用了Altera公司的CycloneIII系列的3C40-C8，其邏輯門(mén)數有200萬(wàn)門(mén)左右，最高工作頻率可以達到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(xiàn)都是在Quartus11.0版本下進(jìn)行，仿真軟件使用Modelsim6.5se版本。本設計中FPGA邏輯設計主要包括485數據采集模塊及與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使用率接近系統的95%，整個(gè)系統工作頻率為100MHz.