FPGA的嵌入式系統(tǒng)USB接口設計
摘要:設計基于FPGA的IP-BX電話應用系統(tǒng),用于傳統(tǒng)的電話網絡(PSTN)與PC機之間的接口連接。USB2.0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56工作在slave FIFO模式,為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與PC機之間提供數(shù)據(jù)和命令通道,從而可滿足PC機與FPGA之間數(shù)據(jù)與命令的高速傳輸,實現(xiàn)PSTN與PC機之間的電話通信。硬件調試結果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定,通話質量滿足要求。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/151961.htm通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是應用于PC領域的接口技術,已得到廣泛應用。USB2.0已成為目前電腦中的標準擴展接口。本系統(tǒng)設計的目的在于為公共交換電話網絡(PSTN)和PC機之間提供一個數(shù)字接口,設計中PC機是主機,基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)是USB設備。該系統(tǒng)是IP-PBX的簡化系統(tǒng),大量工作由PC的服務器完成,而這里重點介紹以FPGA為控制核心的USB接口設計。
1 系統(tǒng)結構設計
該系統(tǒng)通過TRM(Telephone Response Module)和PC服務器實現(xiàn)PSTN網絡和Internet網絡之間自由、高效通話。圖l為整個系統(tǒng)結構示意圖。
系統(tǒng)工作過程:當有來電時,DAA向FPGA申請中斷。FPGA收到中斷后,使用USB的中斷傳輸向主機報告有外接來電,則PC的應用軟件會提示用戶選擇摘機或拒絕。摘機后,F(xiàn)PGA在接收到命令后就會接通電話,然后語音數(shù)據(jù)通過USB的同步傳輸進行雙向傳送。當用戶向外撥號時,其過程與來電時的情況是相同的。
2 系統(tǒng)硬件模塊設計
2.1系統(tǒng)硬件框圖
本設計采用FPGA作為核心控制器件,其控制對象是USB2.0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。圖2為EZ-USB器件工作在Slave FIFO模式下時FX2 USB和FPGA的典型電路連接圖。
2.2 FPGA和USB簡介
設計中的核心控制器件FPGA選用Ahrea公司的EP2C8Q208C8,而USB設備器件則選用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是Ahera Cyclone II系列器件中的一種,Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工藝生產的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的應用主要定位在終端市場,如消費類電子、計算機、工業(yè)和汽車等領域。EP2C8Q208C8內部有2個鎖相環(huán)(PLL)和8個全局時鐘網絡,8 256個邏輯單元(LE)個,36個M4K RAM,18個乘法器模塊,可用I/O數(shù)138個。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和對IP-PBX系統(tǒng)的可擴展性(足夠多的I/O接口)的優(yōu)點,因此這里選擇該器件作為系統(tǒng)的控制器件。
CY7C68013A-56器件是第1個包含USB2.0的集成微控制器,其內部集成有1個增強型的8051,1個智能USB串行接口引擎(SIE),1個USB數(shù)據(jù)收發(fā)器,3個8位。I/O、16位地址線、8.5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增強型8051內核完全與標準805l兼容,而性能可達到標準805l的3倍以上。圖3為CY7C68013A-56的結構框圖。
CY7C68013A器件在數(shù)據(jù)傳輸時利用4 KB的FIFO,包含7個端點:EPOIN/OUT,EPlIN,EPlOUT,EP2,EP4,EP6,EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3個64 B的緩沖端點,只能被固件訪問,EP0是默認的數(shù)據(jù)輸入輸出端口緩存,默認工作于控制傳輸,EPlIN和EPlOUT是獨立的64 B緩存,可以配置成塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸。端點2、4、6、8是大容量高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸端點,可配置為各種帶寬以滿足實際需求。端點2、6能配置成每幀成512 B或l 024 B,并可配置為2、3、4級,則EP2,EP6最大能被配置為4 KB的緩存;端點4、8則能配置為每幀512 B的緩存。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 USB Firmware設計
由于設計中使用FPGA控制USB設備進行語音電話通信,所以在USB部分使用3種USB傳輸模式:控制傳輸、中斷傳輸、等時傳輸。控制傳輸用于實現(xiàn)設備枚舉主機的標準請求以及廠商自定義請求;中斷傳輸用于實現(xiàn)設備對主機的喚醒,是唯一的設備主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方式;等時傳輸用于實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的雙向同步傳輸。USB Firmware設計重點是語音的通信段。
CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3種工作模式。PORTS模式是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式,其數(shù)據(jù)傳輸需CPU直接參與,適于傳輸速率要求不高的場合;GPIF模式是主機方式,內部主機控制端點FIFO;Slave FIFO模式是從機方式,外部控制器,如FPGA、DSP。應用中使用異步FIFO方式,采用內部48 MHz時鐘,自動方式,而固件程序的編寫則以Cypress公司提供的固件程序框架為基礎,在其初始化函數(shù)中添加自己的配置代碼。
在整個系統(tǒng)中,CY7C68013A的固件主要完成以下工作:初始化USB器件;作為USB接口與主機通信并傳輸數(shù)據(jù);利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。因此同件主程序比較復雜,除了上面的TD_lnit()初始化外,還需要大量函數(shù),但基本結構相對簡單,包括3個過程:USB控制器的初始化;主函數(shù),包括處理標準設備請求的代碼;中斷處理,包括處理各種中斷的程序代碼。圖4為同件主程序流程。
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