基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)基于FPGA的IP-BX電話應(yīng)用系統(tǒng)，用于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)與PC機(jī)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(jī)之間提供數(shù)據(jù)和命令通道，從而可滿足PC機(jī)與FPGA之間數(shù)據(jù)與命令的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)PSTN與PC機(jī)之間的電話通信。硬件調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通話質(zhì)量滿足要求。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是應(yīng)用于PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。USB2．0已成為目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于為公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)和PC機(jī)之間提供一個(gè)數(shù)字接口，設(shè)計(jì)中PC機(jī)是主機(jī)，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)是USB設(shè)備。該系統(tǒng)是IP-PBX的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，大量工作由PC的服務(wù)器完成，而這里重點(diǎn)介紹以FPGA為控制核心的USB接口設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)通過(guò)TRM(Telephone Response Module)和PC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PSTN網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間自由、高效通話。圖l為整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)工作過(guò)程：當(dāng)有來(lái)電時(shí)，DAA向FPGA申請(qǐng)中斷。FPGA收到中斷后，使用USB的中斷傳輸向主機(jī)報(bào)告有外接來(lái)電，則PC的應(yīng)用軟件會(huì)提示用戶選擇摘機(jī)或拒絕。摘機(jī)后，F(xiàn)PGA在接收到命令后就會(huì)接通電話，然后語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)USB的同步傳輸進(jìn)行雙向傳送。當(dāng)用戶向外撥號(hào)時(shí)，其過(guò)程與來(lái)電時(shí)的情況是相同的。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2．1系統(tǒng)硬件框圖
本設(shè)計(jì)采用FPGA作為核心控制器件，其控制對(duì)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(shí)FX2 USB和FPGA的典型電路連接圖。

2．2 FPGA和USB簡(jiǎn)介
設(shè)計(jì)中的核心控制器件FPGA選用Ahrea公司的EP2C8Q208C8，而USB設(shè)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(chǎn)的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的應(yīng)用主要定位在終端市場(chǎng)，如消費(fèi)類電子、計(jì)算機(jī)、工業(yè)和汽車等領(lǐng)域。EP2C8Q208C8內(nèi)部有2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和8個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，8 256個(gè)邏輯單元(LE)個(gè)，36個(gè)M4K RAM，18個(gè)乘法器模塊，可用I／O數(shù)138個(gè)。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和對(duì)IP-PBX系統(tǒng)的可擴(kuò)展性(足夠多的I／O接口)的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)包含USB2．0的集成微控制器，其內(nèi)部集成有1個(gè)增強(qiáng)型的8051，1個(gè)智能USB串行接口引擎(SIE)，1個(gè)USB數(shù)據(jù)收發(fā)器，3個(gè)8位。I／O、16位地址線、8．5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增強(qiáng)型8051內(nèi)核完全與標(biāo)準(zhǔn)805l兼容，而性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)805l的3倍以上。圖3為CY7C68013A-56的結(jié)構(gòu)框圖。

CY7C68013A器件在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)利用4 KB的FIFO，包含7個(gè)端點(diǎn)：EPOIN／OUT，EPlIN，EPlOUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3個(gè)64 B的緩沖端點(diǎn)，只能被固件訪問(wèn)，EP0是默認(rèn)的數(shù)據(jù)輸入輸出端口緩存，默認(rèn)工作于控制傳輸，EPlIN和EPlOUT是獨(dú)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(diǎn)2、4、6、8是大容量高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可配置為各種帶寬以滿足實(shí)際需求。端點(diǎn)2、6能配置成每幀成512 B或l 024 B，并可配置為2、3、4級(jí)，則EP2，EP6最大能被配置為4 KB的緩存；端點(diǎn)4、8則能配置為每幀512 B的緩存。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 USB Firmware設(shè)計(jì)
由于設(shè)計(jì)中使用FPGA控制USB設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)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(shí)傳輸?？刂苽鬏斢糜趯?shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求以及廠商自定義請(qǐng)求；中斷傳輸用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)主機(jī)的喚醒，是唯一的設(shè)備主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方式；等時(shí)傳輸用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的雙向同步傳輸。USB Firmware設(shè)計(jì)重點(diǎn)是語(yǔ)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(chǎng)合；GPIF模式是主機(jī)方式，內(nèi)部主機(jī)控制端點(diǎn)FIFO；Slave FIFO模式是從機(jī)方式，外部控制器，如FPGA、DSP。應(yīng)用中使用異步FIFO方式，采用內(nèi)部48 MHz時(shí)鐘，自動(dòng)方式，而固件程序的編寫(xiě)則以Cypress公司提供的固件程序框架為基礎(chǔ)，在其初始化函數(shù)中添加自己的配置代碼。
在整個(gè)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(jī)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(fù)雜，除了上面的TD_lnit()初始化外，還需要大量函數(shù)，但基本結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，包括3個(gè)過(guò)程：USB控制器的初始化；主函數(shù)，包括處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)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。