LED顯示屏高速數(shù)據(jù)通訊接口設(shè)計(jì)

摘要：本文闡述了利用CYPRESS公司EZ-USB FX2系列USB2.0集成芯片CY7C68013的高速Slave FIFO通用外部接口來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和LED點(diǎn)陣顯示屏間數(shù)據(jù)通訊的設(shè)計(jì)方案，給出了其接口電路的硬件原理及底層軟件的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：USB2.0；CY7C68013;FIFO;LED顯示

１ 引言

ＬＥＤ顯示屏具有亮度高，故障低、能耗少、使用壽命長、顯示內(nèi)容多樣、顯示方式豐富等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于公路、金融、證券、車站、碼頭、體育場館等公共場合，其顯示數(shù)據(jù)通常來自上位ＰＣ機(jī)，這就要求有一個(gè)高速通道來傳輸大量的顯示數(shù)據(jù)，ＵＳＢ２．０接口無疑是一個(gè)很好的解決方案。

ＵＳＢ由總線提供電源，傳輸時(shí)具有ＣＲＣ檢錯、糾錯能力，能實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)熱插拔，并支持多個(gè)外設(shè)連接到同一個(gè)連接器上，從而緩解ＰＣ系統(tǒng)資源沖突，這些突出的優(yōu)點(diǎn)使得ＵＳＢ１．ｘ在ＰＣ機(jī)外部設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用, ＵＳＢ２．０傳輸速度高達(dá)４８０Ｍｂ／ｓ，是ＵＳＢ１．ｘ的４０倍,并向下兼容ＵＳＢ１．ｘ。這樣就使得快速大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。

在此強(qiáng)調(diào)一下兩個(gè)下文將要用到的概念：ＩＮ端點(diǎn)和ＯＵＴ端點(diǎn)。此處的ＩＮ、ＯＵＴ都是相對于上位ＰＣ機(jī)而言，ＩＮ端點(diǎn)指用來接收上位ＰＣ機(jī)數(shù)據(jù)的端點(diǎn)，ＯＵＴ端點(diǎn)則是往ＰＣ機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的端點(diǎn)。

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帶高速Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ通用外部接口的ＣＹ７Ｃ６８０１３是ＣＹＰＲＥＳＳ公司推出的ＵＳＢ２．０集成微處理芯片，片上集成了ＵＳＢ收發(fā)器（ＳＩＥ）、增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)（其指令系統(tǒng)與普通８０５１單片機(jī)完全兼容）及８ｋ程序存儲區(qū)? 共有４個(gè)支持ＵＳＢ２．０高速傳輸?shù)摹按蟆倍它c(diǎn)（２個(gè)ＩＮ端點(diǎn)和２個(gè)ＯＵＴ端點(diǎn)）和４ｋＢ片內(nèi)ＲＡＭ?該ＲＡＭ 可配置為４個(gè)“大”端點(diǎn)的ＦＩＦＯ，其中２個(gè)“大”端點(diǎn)可以配置為雙、三、四緩沖區(qū)（ＦＩＦＯ），一個(gè)“大”端點(diǎn)最大可配置為２ｋＢ ＦＩＦＯ，更重要的是?該芯片提供了兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０高速傳輸?shù)目删幊掏獠吭O(shè)備接口以及Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ和ＧＰＩＦ，這２個(gè)通用外部接口可通過與４個(gè)“大”端點(diǎn)協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０的高速傳輸，本文只討論 Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ可編程外部設(shè)備接口的應(yīng)用。

ＣＹ７Ｃ６８０１３有５６ｐｉｎ、１００ｐｉｎ、１２８ｐｉｎ三種封裝，其中５６ｐｉｎ已具備所有ＵＳＢ２．０功能，而１００ｐｉｎ則在５６ｐｉｎ基礎(chǔ)上增加了更多Ｉ／Ｏ和更多ＧＰＩＦ模式下的控制信號，１２８ｐｉｎ又在１００ｐｉｎ基礎(chǔ)上增加了用于擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲區(qū)的地址總線和數(shù)據(jù)總線。本應(yīng)用就是基于可編程外部設(shè)備接口Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ，大量數(shù)據(jù)傳輸可直接由ＦＰＧＡ處理而無需擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，在此選擇最經(jīng)濟(jì)的５６ｐｉｎ ＣＹ７Ｃ６８０１３ 即可滿足設(shè)計(jì)要求， 其體系結(jié)構(gòu)如圖１所示。

３ Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ簡介

ＣＹ７Ｃ６８０１３ 雖然可以用內(nèi)置增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)直接處理ＵＳＢ２．０數(shù)據(jù)，但這樣會受到單片機(jī)速度的限制而無法實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０的高速傳輸。通常為了解決這一矛盾，可使ＣＹ７Ｃ６８０１３的片上增強(qiáng)型８０５１單片機(jī)僅用于輔助處理ＵＳＢ設(shè)備請求和設(shè)備列舉以及協(xié)調(diào)內(nèi)部“大”端點(diǎn)和外部數(shù)據(jù)處理設(shè)備（如 ＦＰＧＡ，ＡＳＩＣ? ＤＳＰ，ＩＤＥ等）的工作，這樣ＵＳＢ數(shù)據(jù)流就可繞過慢速的８０５１單片機(jī)而直接從“大”端點(diǎn)ＦＩＦＯ進(jìn)入快速外部主設(shè)備或從外部主設(shè)備進(jìn)入“大”端點(diǎn)ＦＩＦＯ，以實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０高速傳輸。由于ＣＹ７Ｃ６８０１３“大”端點(diǎn)ＦＩＦＯ的讀寫是受外部數(shù)據(jù)處理設(shè)備控制的，所以這些ＦＩＦＯ稱為 Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ，上述這種實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ２．０高速傳輸?shù)哪Ｊ椒Q為 Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ模式。

４ ＣＹ７Ｃ６８０１３固件程序設(shè)計(jì)

為方便應(yīng)用開發(fā)，ＣＹＰＲＥＳＳ 公司為ＣＹ７Ｃ６８０１３所屬的ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２系列提供了免費(fèi)下載的Ｋｅｉｌ Ｃ環(huán)境下的ＵＳＢ固件庫，以及Ｃ５１編寫的固件構(gòu)架程序和一些典型應(yīng)用的范例程序，這使得開發(fā)者只需理解ＵＳＢ數(shù)據(jù)傳輸原理，而不用鉆入艱深的ＵＳＢ底層協(xié)議就可完成開發(fā)，從而大大縮短開發(fā)時(shí)間，以便把更多的精力放在外部接口設(shè)計(jì)上。

下面僅就固件程序設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，整個(gè)固件應(yīng)用程序通常包含３個(gè)程序文件：

ＤＳＣＲ．Ａ５――設(shè)備描述符表文件，該文件詳細(xì)記錄了ＵＳＢ外圍設(shè)備的相關(guān)信息，這里需要注意的是設(shè)備描述符和端點(diǎn)描述符。設(shè)備描述符給出了ＵＳＢ的一般信息，其中ＶＩＤ／ＰＩＤ 碼十分重要，上位ＰＣ機(jī)根據(jù)這個(gè)碼值才能正確加載ＵＳＢ應(yīng)用設(shè)備驅(qū)動程序。至于端點(diǎn)描述符，每個(gè)端點(diǎn)都有，上位ＰＣ機(jī)根據(jù)端點(diǎn)描述符的內(nèi)容來決定每個(gè)端點(diǎn)的帶寬要求。本設(shè)計(jì)用１個(gè)“大”端點(diǎn)ＥＰ２來接收上位ＰＣ機(jī)的顯示數(shù)據(jù)；另用一個(gè)“小”端點(diǎn)ＥＰ１來處理上位機(jī)和通訊接口間開發(fā)者自定義的通訊協(xié)議，以使上位機(jī)可以在需要的時(shí)候查詢已被傳送的顯示數(shù)據(jù)的接收狀況，從而進(jìn)一步保證顯示數(shù)據(jù)的有序傳輸。

ＦＷ．Ｃ――固件構(gòu)架程序。該固件構(gòu)架程序主要用于實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ設(shè)備列舉的諸多控制傳輸和ＵＳＢ總線協(xié)議的相關(guān)工作，完成了ＵＳＢ與外部兼容設(shè)備所需的基本功能。該程序的核心函數(shù) ｖｏｉｄ ＳｅｔｕｐＣｏｍｍａｎｄ?ｖｏｉｄ? 稱作設(shè)備請求剖析器，用于處理上位ＰＣ機(jī)發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)ＵＳＢ設(shè)備請求以實(shí)現(xiàn)ＵＳＢ設(shè)置命令。

ＡＰＰ．Ｃ ――開發(fā)者在相關(guān)范例應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上通過修改或增加一些應(yīng)用程序段而形成的面向?qū)嶋H的應(yīng)用程序。本應(yīng)用中主要修改了Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ的操作方式以使Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ接收數(shù)據(jù)的速度能夠達(dá)到最大值，所采用的設(shè)置方法如下：

通過寄存器ＥＰ２ＣＦＧ可將ＥＰ２設(shè)置為ＯＵＴ端點(diǎn)。當(dāng)需要首先考慮數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性時(shí)，可將該端點(diǎn)傳輸模式設(shè)置為批量傳輸，其最大包長為５１２字節(jié)，４緩沖區(qū)（ＦＩＦＯ）。而當(dāng)需要傳輸視頻數(shù)據(jù)時(shí)，可將該端點(diǎn)的傳輸模式設(shè)置為同步傳輸，最大包長１０２４字節(jié)，雙緩沖區(qū)（ＦＩＦＯ）。

通過寄存器ＥＰ２ＦＩＦＯＣＦＧ設(shè)置下面的內(nèi)容：將“大”端點(diǎn)ＥＰ２設(shè)置為１６位操作模式（一次可以操作２個(gè)字節(jié)）以與ＦＤ １６位寬度總線匹配； 再設(shè)置該ＯＵＴ端點(diǎn)為ＡＵＴＯＯＵＴ模式，這樣來自上位ＰＣ機(jī)的數(shù)據(jù)就可以不通過ＣＹ７Ｃ６８０１３上的８０５１單片機(jī)，而是自動地填充相應(yīng)的“大”端點(diǎn)ＦＩＦＯ。

通過寄存器ＩＦＣＯＮＦＩＧ設(shè)置這樣的工作模式：用ＣＹ７Ｃ６８０１３產(chǎn)生４８ＭＨｚ ＩＦＣＬＫ時(shí)鐘，將該時(shí)鐘作為片上ＳｌａｖｅＦＩＦＯ與外部主設(shè)備的工作時(shí)鐘；數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送設(shè)置為同步讀寫方式，這樣在每個(gè)ＩＦＣＬＫ 時(shí)鐘的上升沿就可以讀寫２個(gè)字節(jié)，從而使數(shù)據(jù)讀寫速度可以達(dá)到９６ＭＨｚ ｂｙｔｅ／ｓ。

本設(shè)計(jì)只使用了ＥＰ２這個(gè)“大”端點(diǎn)，而且 已將其配置為ＡＵＴＯＯＵＴ操作模式。因此，ＣＹ７Ｃ６８０１３可繞過片上８０５１而自動將ＵＳＢ數(shù)據(jù)接收到ＥＰ２的ＦＩ-ＦＯ中。

需要增加的程序段是ＣＹ７Ｃ６８０１３片內(nèi)８０５１單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)查詢回應(yīng)當(dāng)前數(shù)據(jù)接收狀況，這個(gè)程序段和普通的８０５１單片機(jī)２３２串口通訊程序類似，不同的只是原來的２３２串行口中斷被ＥＰ１ ＩＮ和ＥＰ１ ＯＵＴ這兩個(gè)ＵＳＢ２．０中斷所替換，當(dāng)ＥＰ１ ＯＵＴ 端點(diǎn)收到上位ＰＣ機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，將產(chǎn)生ＥＰ１ ＯＵＴ中斷來處理接收到的數(shù)據(jù)；同樣當(dāng)ＣＹ７Ｃ６８０１３片內(nèi)８０５１欲發(fā)往上位ＰＣ機(jī)的數(shù)據(jù)已通過ＥＰ１ ＩＮ發(fā)送完畢時(shí)，也會產(chǎn)生ＥＰ１ ＩＮ中斷以使片內(nèi)８０５１可以在該端點(diǎn)放入新的發(fā)送數(shù)據(jù)。

５　硬件設(shè)計(jì)

圖２所示是ＦＰＧＡ與ＣＹ７Ｃ６８０１３ 的連接圖，除將ＩＦＣＬＫ作為ＦＰＧＡ輸入時(shí)鐘外，其它信號均在ＦＰ-ＧＡ和ＣＹ７Ｃ６８０１３之間互連。由于ＦＰＧＡ片內(nèi)ＲＡＭ很小，本系統(tǒng)還使用了一片１２８ｋ８的高速靜態(tài)ＲＡＭ（型號為ＩＳ６３ＬＶ１０２４，讀寫周期為１５ｎｓ）作為數(shù)據(jù)暫存器。ＦＰＧＡ與ＣＹ７Ｃ６８０１３、ＲＡＭ、ＶＴ６１０３的硬件連接見圖２。

從ＵＳＢ收到的來自上位ＰＣ機(jī)數(shù)據(jù)最終將被遠(yuǎn)端安裝在ＬＥＤ顯示屏屏體內(nèi)的顯示控制部件中，當(dāng)ＲＡＭ被填入預(yù)定數(shù)量的顯示數(shù)據(jù)時(shí)，ＦＰＧＡ?xí)模遥粒椭羞B續(xù)取出數(shù)據(jù)并送到與ＶＴ６１０３連接的４位數(shù)據(jù)輸出端口，ＶＴ６１０３收到４位數(shù)據(jù)后，其內(nèi)部會自動按照ＩＥＥＥ８０２．３規(guī)范對該數(shù)據(jù)進(jìn)行４Ｂ５Ｂ?轉(zhuǎn)換４位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)碼為５位數(shù)據(jù)碼?重新編碼，然后將５Ｂ碼送擾頻器，再經(jīng)片內(nèi)整形后輸出給以太網(wǎng)變壓器，以驅(qū)動五類雙絞線并將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)端顯示控制部件。

６　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的外部主設(shè)備接口邏輯采用ＶＨＤＬ硬件描述語言，利用ＡＬＴＥＲＡ公司ＱＵＡＲＴＵＳ ＩＩ開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)是以ＦＰＧＡ為核心的，主要由下面３個(gè)并行執(zhí)行的部分組成，在此每個(gè)部分分別設(shè)計(jì)為一個(gè)ＶＨＤＬ進(jìn)程?ｐｒｏｃｅｓｓ?：

進(jìn)程１：外部主設(shè)備ＦＰＧＡ同步讀寫ＣＹ７Ｃ６８０１３“大”端點(diǎn)ＦＩＦＯ的時(shí)序邏輯? 并把接收到的數(shù)據(jù)存入ＦＰＧＡ ＦＩＦＯ中。這部分只需要根據(jù)Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ讀寫時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)，Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ時(shí)序圖如圖３所示。

這里需要引起注意的是兩個(gè)建立時(shí)間：其一是ｔＯＥｏｎ，這個(gè)建立時(shí)間是從ＳＬＯＥ拉低到 Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ數(shù)據(jù)有效。其二是ｔＳＲＤ ，即從ＳＬＲＤ信號拉低到第１個(gè)同步讀時(shí)鐘上升沿的時(shí)間。這兩個(gè)建立時(shí)間應(yīng)大于等于ＣＹ７Ｃ６８０１３數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的時(shí)間。由于該ＦＰＧＡ有５９９０４ ｂｉｔ的片上ＲＡＭ，這里使用其中４ｋ ｂｙｔｅ的 ＲＡＭ來生成ＦＩＦＯ結(jié)構(gòu)，這樣從Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ同步接收到的ＵＳＢ數(shù)據(jù)就可以直接存入ＦＰＧＡ片上的４ｋ ＦＩ-ＦＯ中。圖４是此進(jìn)程的設(shè)計(jì)流程圖。

進(jìn)程２：用于完成將ＦＰＧＡ的ＦＩＦＯ中數(shù)據(jù)寫入１２８ｋＢ ＲＡＭ的設(shè)計(jì)。只要ＦＰＧＡ的ＦＩＦＯ中有數(shù)據(jù)，則該進(jìn)程啟動，ＦＰＧＡ?xí)B續(xù)地把片內(nèi)ＦＩＦＯ中取出的數(shù)據(jù)存入片外１２８ｋＢ的高速靜態(tài)ＲＡＭ （ＩＳ６３ＬＶ１０２４）中，這個(gè)片外的１２８ｋＢ ＲＡＭ分為兩個(gè)６４ｋＢ區(qū)，兩個(gè)區(qū)輪流接收來自ＦＰＧＡ片內(nèi)ＦＩＦＯ的數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)區(qū)接收完規(guī)定的顯示數(shù)據(jù)后，ＦＰＧＡ?xí)梦唬螅澹睿?ｄａｔａ ｆｌａｇ去啟動進(jìn)程３，如果ＦＰＧＡ片內(nèi)ＦＩＦＯ中還有數(shù)據(jù)，則ＦＰＧＡ?xí)眩遥粒颓袚Q到另一個(gè)區(qū)繼續(xù)接收片內(nèi)ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)，其設(shè)計(jì)流程圖如圖５所示。

進(jìn)程３:此進(jìn)程由ｓｅｎｄ ｄａｔａ ｆｌａｇ信號啟動，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志被置位時(shí)，此進(jìn)程啟動。此后，ＦＰＧＡ開始從已完成顯示數(shù)據(jù)接收的ＲＡＭ區(qū)讀取數(shù)據(jù)并送到４位寬度的數(shù)據(jù)輸出口，此輸出口與ＶＴ６１０３相連。ＶＴ６１０３以２５ＭＨｚ時(shí)鐘每次接收半個(gè)字節(jié)（４ｂｉｔ），然后經(jīng)片內(nèi)４Ｂ５Ｂ編碼、整形后將數(shù)據(jù)由差分輸出口ＴＸ＋和ＴＸ－串行輸出，以把數(shù)據(jù)從ＵＳＢ２．０接口模塊發(fā)給外部的顯示處理模塊。其設(shè)計(jì)流程圖如圖６所示。

其中，ＶＴ６１０３ 接收顯示數(shù)據(jù)時(shí)序如圖７所示。每次接收４ｂｉｔ后，芯片內(nèi)部都將自動對每次接收到的４ｂｉｔ數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以１００ＭＨｚ的時(shí)鐘頻率串行差分輸出給以太網(wǎng)變壓器。