摘要 介紹了USB 協(xié)議芯片FT245BM的工作原理，設計了FT245BM與FPGA的接口電路，給出了FPGA發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀狀態(tài)機的Verilog語言的描述，并介紹了PC機軟件的設計方法。該電路被成功地應用到光纖陀螺多路測試系統(tǒng)中，簡化了電路設計，提高了測試效率。該設計具有很強的通用性。
關鍵字 通用串行總線（USB）  FT245BM   FPGA   狀態(tài)機

一、引言

USB總線因其傳輸速度快、占用資源少以及真正的即插即用等諸多優(yōu)點，受到了廣大開發(fā)者的青睞，已經(jīng)成為很多計算機設備的一種基本配置。目前被廣泛采用的USB設備開發(fā)方案主要有以下兩種（1）利用USB設備端接口芯片加微控制器結(jié)構(gòu)。如國內(nèi)用的比較多的Philips公司的PDIUSBD12/ISP1581等。（2）采用USB單片機。采用這兩種方案要求開發(fā)者徹底理解USB協(xié)議的細節(jié)，并編寫出固件程序。固件的運行要占用微控制器的時間和空間資源，實際通信效率不會很高。也有人用FPGA實現(xiàn)固件的功能，但這種方案開發(fā)和調(diào)試的難度很大。本人在實際工作中用FPGA外部直接連接一片USB協(xié)議芯片F(xiàn)T245BM，實現(xiàn)了FPGA與PC機的USB通信，該方法不用微控制器，減少了元器件的個數(shù)，并且占用FPGA資源很少，F(xiàn)PGA仍然可以實現(xiàn)其他邏輯功能，系統(tǒng)設計的靈活性很大。

二、FT245BM簡介

FT245BM由FTDI （Future Technology Devices Int. Ltd.）公司推出，該芯片的主要功能是進行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機通過USB串行總線接收數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設；另一方面外設可通過并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB串行數(shù)據(jù)格式傳回主機。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動完成，開發(fā)者無須考慮固件的設計。該芯片提供了通用的并行I/O口方便與微控制器、FPGA或其他外設接口。在PC機端安裝了FTDI公司提供的驅(qū)動程序，只需熟悉簡單的VB、VC編程，就可很容易地進行上位機軟件開發(fā)。

關于FT245BM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及詳細地引腳介紹讀者可以參考其他相關資料，在此僅對與本設計相關的內(nèi)容作一個介紹。FT245BM內(nèi)含兩個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個是128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，另一個是384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。它們用作USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)。FIFO實現(xiàn)與外界（微控制器、FPGA或其它器件）的接口，主要通過8根數(shù)據(jù)線D0~D7、讀寫控制線RD#和WR#以及FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空標志TXE#和FIFO接收緩沖區(qū)非空標志RXF#來完成數(shù)據(jù)交互。TXE#為低表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)為空，為高表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)滿或者正在存儲前一個字節(jié)，禁止向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)。RXF#為低表示當前FIFO的接收緩沖區(qū)非空。RD#信號由低變高將從FIFO緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。當RD#變低時將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線。RXF#為高不能從FIFO讀數(shù)據(jù)。讀寫時序見圖1和圖2。

圖2 寫數(shù)據(jù)時序

三、           FT245BM與FPGA的接口設計

3.1 硬件電路設計

    圖3是FT245BM的USB與FPGA的接口電路，F(xiàn)PGA選用ALTERA EPF1K50TC-144，其中D0~D7是FT245BM與FPGA交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線，USB_RD#、USB_WR、USB_TXE#、USB_RXF#是相關的控制總線。

圖3  FT245BM與FPGA的接口電路

3.2   FPGA收發(fā)狀態(tài)機設計

   下面是用Verilog HDL 描述的FPGA收發(fā)狀態(tài)機，為便于讀者理解FPGA對FT245BM的讀寫過程，本文將接收和發(fā)送狀態(tài)機分開給出。當然在實際應用中也可以將接收和發(fā)送操作合成一個狀態(tài)機來實現(xiàn)。

3.2.1 接收狀態(tài)機

    接收狀態(tài)機主要功能是查詢USB_RXF引腳的狀態(tài)，當檢測到USB_RXF變低，即可獲知上位機已經(jīng)將數(shù)據(jù)寫入到FT245BM的緩沖區(qū)，然后產(chǎn)生讀控制時序，將FT245BM接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀入到FPGA的緩沖區(qū)。重復以上步驟直到將一幀數(shù)據(jù)讀完，然后執(zhí)行相應的幀處理操作。下面是用Verilog HDL描述的接收狀態(tài)機。

@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時鐘。

if(rst && USB_RXF==0)

begin

       case(Rstate)

        Rstate0:

 begin

          USB_RD<=0;      /*產(chǎn)生讀信號的下降沿

          Rstate<=Rstate1;

        end

        Rstate1:

begin

RframeBuf[Rpointer]<=USB_DATA; /*讀FT245BM芯片F(xiàn)IFO的當前字節(jié)

Rstate<=Rstate2;

              end

        Rstate2:

          begin

            if(Rpointer== FrameLen-1) /*如果已經(jīng)接收到完整的一幀,則轉(zhuǎn)Rstate3,

              begin

              Rstate<=Rstate3;

                Rpointer<=0;

             end 

           else            /*一幀未接收完,轉(zhuǎn)Rstate0繼續(xù)接收

           begin

            Rstate<=Rstate0;

            Rpointer<=Rpointer+1;

           end

           USB_RD<=1;

          end

       Rstate3:        /*處理收到的幀

         begin

           Rstate<=Rstate0;

           /*在此添加處理幀的代碼，本文略*/

         end

     end

else

  begin

       Rstate<=Rstate0;

       USB_RD<=1;

     End

3.2.2  發(fā)送狀態(tài)機

發(fā)送狀態(tài)機完成的主要功能是將外設產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過FT245BM和USB總線傳送到PC機。外設將數(shù)據(jù)準備好后，將發(fā)送允許信號（SendEN）置為有效，當狀態(tài)機檢測到SendEN=1時，即啟動發(fā)送操作。首先狀態(tài)機從外設的緩沖區(qū)按字節(jié)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)讀到FPGA的緩沖區(qū)，并產(chǎn)生寫FT245BM發(fā)送緩沖區(qū)的時序，將數(shù)據(jù)寫到FT245BM發(fā)送緩沖區(qū)。直到將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。下面是FPGA向FT245BM發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)機。

@always (posedge clk )    /*clk為FPGA工作時鐘。

if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)   /*rst為異步復位信號, SendEN為發(fā)送允許信號，由給Pc機發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯電路置位，數(shù)據(jù)發(fā)送完成由發(fā)送狀態(tài)機將其清除。

  begin

    case(Sstate)

     Sstate0:

        begin

          USB_WR<=1;      /*產(chǎn)生寫信號的上升沿

          Sstate<=Sstate1;

        end

     Sstate1:

begin

USB_DATA <=SframeBuf[Spointer];   /*寫一個字節(jié)到FIFO，SframeBuf為發(fā)送緩沖區(qū)

Sstate<=Sstate2;

            end

     Sstate2:

        begin

          if(Spointer == FrameLen-1)    /*如果已經(jīng)發(fā)送完一幀,則轉(zhuǎn)Sstate3,

            begin

            Sstate<=Sstate3;

              Spointer <=0;

            end 

          else            /*未完,轉(zhuǎn)Sstate0繼續(xù)發(fā)送

           begin

             Sstate<=Sstate0;

             Spointer <= Spointer +1;

           end

         USB_WR<=0;         /*產(chǎn)生寫usb FIFO信號的下降沿

        end

     Sstate3:       

       begin

         Sstate<=Sstate0;

         /*在此添加處理幀發(fā)送完畢的代碼和清除SendEN 信號的代碼，本文略*/

       end

  end

else

  begin

    Sstate<=Sstate0;

    USB_WR<=0;

  End

限于篇幅，以上狀態(tài)機只給出了幀收發(fā)的基本操作，因為在不同的應用場合，幀處理的方法也不相同，所以本文沒有給出幀處理代碼。另外，在實際應用時需要注意以下內(nèi)容：由于FPGA讀寫FT245BM共用一組數(shù)據(jù)總線，狀態(tài)機不能同時對FT245BM進行讀寫操作，當所以當兩個狀態(tài)機分開編寫時，為避免沖突需分出讀寫的優(yōu)先級，此時只需對以上狀態(tài)機稍加修改即可。比如當若令讀的優(yōu)先級高，則在寫的狀態(tài)機中將if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1)語句的條件改為if(rst && USB_TXE==0&& SendEN==1&& USB_RXF==1)即可。寫優(yōu)先級高的情況可以仿照此方法修改。

四、PC機軟件設計

PC機軟件的設計有兩種方法：一種是在PC機上安裝一個由FTDI公司免費提供的虛擬串行口VCP（Virtual COM Port）驅(qū)動程序，將USB口虛擬成一個串口，像一個標準的串口那樣進行進行外設和PC機的通信?？杀举|(zhì)上所有針對虛擬串口的數(shù)據(jù)通信都是通過USB總線完成的。另外一種方法是利用FTDI公司提供的D2XX驅(qū)動程序，通過調(diào)用驅(qū)動程序的動態(tài)鏈接庫直接訪問USB。由于人們對串口的操作比較熟悉，通常用前一種方法訪問USB。比如，在PC端，應用VB對VCP（通常設置為COM3）進行編程?？梢灾苯討肕SComm控件，將MSComm.CommPort置為3，MSComm.Setings置為“9600，n，8，1”（該速率為默認設置，實際上VCP驅(qū)動程序總是使數(shù)據(jù)以最快速率傳輸）；通過MSComm.PortOpen設置COM3的開關狀態(tài)；通過MSComm.Input和MSComm.Output讀入或輸出數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，設置MSComm.Rthreshold的值為1。只要有數(shù)據(jù)傳到PC機，就立即觸發(fā)MSComm.CommEvent事件，自動讀取COM3的數(shù)據(jù)；而發(fā)送數(shù)據(jù)則可自動或手動發(fā)送，由用戶自己設置。以上操作與操縱標準的串行口完全一致。

五、結(jié)語

以上狀態(tài)機在MaxPlusII10.2下調(diào)試并下載到FPGA運行通過，軟件在Windows 2000，VB6.0環(huán)境下調(diào)試通過。該電路成功應用到光纖陀螺多路測試系統(tǒng)中，實現(xiàn)了同時對4路陀螺信號的同時測試，簡化了電路設計，提高了測試效率。

參考文獻：

[1] FT245BM data sheet. Future Technology Devices Int. Ltd.

[2] 夏宇聞. Verilog 數(shù)字系統(tǒng)教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004

[3] 張俊安. 用VB實現(xiàn)windows 9x環(huán)境下的串口通信[J]. 山東煤炭科技, 2000年增刊:73~74