存儲測試系統(tǒng)的USB接口設計

摘要：針對存儲測試系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，設計了以單片機和FT245R為核心器件的USB接口電路，替代了傳統(tǒng)的并行／串行接口。設計的USB接口支持USB 2．0協(xié)議，具有體積小、通用性好、操作簡單、使用方便等特點，數(shù)據(jù)傳輸率達到1 MB／s，滿足了存儲測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率要求。
關鍵詞：USB；存儲測試技術；FT245R；接口

0 引言
存儲測試是指在對被測對象無影響或在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲測試儀，現(xiàn)場實時完成信息的快速采集與記憶，然后回收記錄儀，由計算機處理和再現(xiàn)測試信息的一種動態(tài)測試技術。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，存儲測試技術不斷成熟，已成功應用于火炮膛壓測試、彈載全彈道參數(shù)測試、車輛機械運動部件工況參數(shù)測試、石油井下壓力測試、爆炸沖擊波場測試、人體運動及生理參數(shù)測試、載人航天測試等諸多領域，在軍工測試領域和國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮著重要作用。
接口電路是測試系統(tǒng)與外部計算機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃谴鎯y試系統(tǒng)的重要組成部分。文獻表明南京理工大學和北京理工大學研究的存儲測試系統(tǒng)主要采用串行接口，而文獻表明中北大學研究的存儲測試系統(tǒng)串口和并口兼而有之，視實際使用情況而定。眾所周知，串口使用受波特率的限制，制約了存儲測試系統(tǒng)與計算機數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。并行傳輸是一種效率較高的傳輸方式，利用計算機并口的EPP模式可以實現(xiàn)大于300 KB／s的穩(wěn)定傳輸率，然而現(xiàn)在大多數(shù)計算機已不再配置并口，USB接口成為計算機對外數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ǖ馈Ｒ虼?，開發(fā)適于存儲測試系統(tǒng)集成的USB接口成為存儲測試技術發(fā)展的一項重要內容。

1 USB協(xié)議及集成芯片
USB全稱是通用串行總線(Universal Serial Bus)，目前以USB 2．0規(guī)范應用最為普遍。USB 2．0規(guī)范的理想傳輸速率為480 Mb／s(60 MB／s)，足以滿足大多數(shù)外設的速率要求。USB 2．0是一種復雜的傳輸協(xié)議，這給USB接口的設計和開發(fā)帶來很大難度。文獻的研究表明，在應用層對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行USB接口設計時，可以選擇集成USB協(xié)議的專用芯片進行二次開發(fā)，從而降低了系統(tǒng)開發(fā)難度。通過查閱大量文獻，本文選用FTDI公司的FT245R芯片進行USB接口設計。
FT245R符合USB 2．0規(guī)范，具有功能強、體積小、傳輸速度快、易于與微處理器接口等特點，非常適合在嵌入存儲測試系統(tǒng)中進行接口設計。FT245R可以方便地實現(xiàn)USB主機與外設MCU，CPLD的接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 MB／s。FT245R內部集成了256 B的接收FIFO和128 B的發(fā)送FIFO，大大提高了USB主機與外設的通信質量。另外，F(xiàn)T245R還具備3．3 V的LDO調整器、USB數(shù)據(jù)時鐘恢復PLL及USB數(shù)據(jù)收發(fā)器，且E2PR OM接口邏輯單元可外接串行存儲器，以實現(xiàn)VID，PID，序列號和設備描述符的存儲。FT245R大大簡化了外圍電路，使接口設計更趨于小型化，符合存儲測試系統(tǒng)微小體積的要求。

2 接口硬件設計
USB接口設計以單片機和FT245R為核心器件，原理如圖1所示。由于FT245R將涉及USB協(xié)議的高速信號全部集成在芯片內部，從而降低了系統(tǒng)對單片機性能的要求。本設計選用了Microchip公司的中檔單片機PIC16F877，該單片機最高工作時鐘為20 MHz，有5個并行I／O端口，13個中斷源，完全滿足同時對FT245R和存儲測試系統(tǒng)進行控制的要求。

圖1中，SRAM是集成于存儲測試系統(tǒng)中的靜態(tài)存儲器，測試過程結束后，SRAM存滿了測試數(shù)據(jù)。單片機在USB接口中起到橋梁的作用，其I／O端口中的PORTD以及PORTC的低四位與SRAM中的12 b數(shù)據(jù)位相連，作為數(shù)據(jù)總線。同樣，單片機的PORTB端口與F245R中的8b數(shù)據(jù)位相連，成為另外一條數(shù)據(jù)總線。SRAM中3個與存取操作有關的控制信號分別與單片機的RA0，RA1和RA2相連，而FT245R的4個與數(shù)據(jù)傳輸有關的控制信號則與單片機PORTC端口的高四位相連。在硬件設計中，兩條數(shù)據(jù)總線是有區(qū)別的。SRAM到單片機的數(shù)據(jù)總線是單向的，數(shù)據(jù)只能從存儲器傳向單片機。單片機與FT245R間的數(shù)據(jù)總線是雙向的，既能完成測試數(shù)據(jù)的上行傳輸，又能完成計算機指令的下行傳輸。
另外，存儲測試系統(tǒng)都是使用電池供電，為了節(jié)省有限的電源，USB接口電路可以采取由計算機供電的方法。計算機的USB口能夠提供5 V電源，最大負載電流可達500 mA，完全可以滿足本文設計的USB接口的用電需求。

圖2是USB總線供電原理圖。5 V電源自USB口的1腳輸出，經(jīng)電容C1和鐵氧體濾波后進入DC-DC變換器LP2987，經(jīng)電壓變換后輸出3．3 V直流電壓(負載電流200 mA)，供應單片機、FT245R及其外圍元件。

3 軟件編程
3．1 固件編程
讀取數(shù)據(jù)時首先要通過計算機發(fā)送讀數(shù)指令，該指令經(jīng)USB接口傳輸至FT245R。FT245R經(jīng)內部串／并轉換，輸出并行數(shù)據(jù)至FIFO控制器，同時將RXF信號置為低電平。單片機通過查詢RXF狀態(tài)判斷FT245R是否有數(shù)據(jù)等待讀取，RXF由高變低后，單片機將讀數(shù)控制信號RD置低。FT245R在檢測到RD信號變低后，迅速將FIFO控制器中的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上。單片機從總線上讀取數(shù)據(jù)后，首先進行判斷，若為瀆數(shù)指令，則單片機進入從測試系統(tǒng)讀數(shù)的子程序。圖3是單片機從FT245R讀取數(shù)據(jù)的流程圖。

從SRAM讀取存儲數(shù)據(jù)時，單片機首先置片選信號CE和讀控制信號OE為低電平，測試系統(tǒng)的時序控制電路在OE信號的作用下推動SRAM的地址，SRAM則將對應地址的數(shù)據(jù)放在總線上。單片機讀取數(shù)據(jù)總線后，判斷FT245R的寫允許信號TXE是否為低電平，若為低電平則進入向FT245R發(fā)送數(shù)據(jù)子程序，若為高電平說明FT245R忙，不能寫數(shù)據(jù)，單片機繼續(xù)判斷TXE信號，直到變低為止。發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機首先置FT245R的寫控制信號WR為高電平，然后將讀取的PORTD端口的數(shù)據(jù)發(fā)送至PORTB端口，接著將WR變回低電平。之后，繼續(xù)判斷TXE的狀態(tài)，變低后發(fā)送從PORTC端口讀取的數(shù)據(jù)，完成12 b數(shù)據(jù)自測試系統(tǒng)讀取并經(jīng)FT245R發(fā)送的過程，流程如圖4所示。在編程時，根據(jù)測試系統(tǒng)SRAM的存儲容量，重復上述操作即可實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口發(fā)送至計算機。

3．2 計算機編程
計算機端程序采用VB 6．0編寫，通過調用FTDI提供的動態(tài)鏈接庫，進行讀、寫函數(shù)等的調用與操作。在VB程序中，首先需要在模塊里聲明動態(tài)鏈接庫“FTD2XX．DLL”。然后，在主程序里需要先對FT245R進行初始化，包括打開設備、復位設備、清理緩沖區(qū)、設定等待時間等步驟，初始化流程如圖5所示。其他工作參數(shù)如波特率、奇偶校驗、溢出控制等使用默認設置即可。

對FT245R初始化完成后，就可以進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)賦值到發(fā)送數(shù)組，調用發(fā)送函數(shù)FT_Write，然后判斷函數(shù)返回值是否等于1。若為1說明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，否則需要重新發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，首先需要設定接收超時時間。然后調用FT_Getstatus函數(shù)讀取接收緩沖區(qū)的狀態(tài)，判斷接收隊列中是否有數(shù)以及是否滿足設定的讀取字節(jié)數(shù)閾值。若滿足瀆取條件，則調用讀數(shù)函數(shù)FT_Read，讀取當前緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組，否則就一直等待，直到滿足讀取條件或產(chǎn)生接收超時。若產(chǎn)生超時，程序自動跳出接收程序，避免陷入死循環(huán)。接收流程如圖6所示。

4 結論
設計的USB接口數(shù)據(jù)傳輸率達到1 MB／s，滿足存儲測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取速率的要求。
該接口符合USB 2．0協(xié)議，在計算機上安裝驅動即可，使用簡單方便。
該接口具有體積小、運行可靠等特點，非常適合嵌入到存儲測試系統(tǒng)中，也可將接口與外部數(shù)據(jù)線做成一體，進一步減小測試系統(tǒng)體積。