FPGA的嵌入式系统USB接口设计

摘要：设计基于FPGA的IP-BX电话应用系统，用于传统的电话网络(PSTN)与PC机之间的接口连接。USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56工作在slave FIFO模式，为基于FPGA的嵌入式系统与PC机之间提供数据和命令通道，从而可满足PC机与FPGA之间数据与命令的高速传输，实现PSTN与PC机之间的电话通信。硬件调试结果表明系统工作稳定，通话质量满足要求。

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是应用于PC领域的接口技术，已得到广泛应用。USB2．0已成为目前电脑中的标准扩展接口。本系统设计的目的在于为公共交换电话网络(PSTN)和PC机之间提供一个数字接口，设计中PC机是主机，基于FPGA的嵌入式系统是USB设备。该系统是IP-PBX的简化系统，大量工作由PC的服务器完成，而这里重点介绍以FPGA为控制核心的USB接口设计。

1 系统结构设计
该系统通过TRM(Telephone Response Module)和PC服务器实现PSTN网络和Internet网络之间自由、高效通话。图l为整个系统结构示意图。

系统工作过程：当有来电时，DAA向FPGA申请中断。FPGA收到中断后，使用USB的中断传输向主机报告有外接来电，则PC的应用软件会提示用户选择摘机或拒绝。摘机后，FPGA在接收到命令后就会接通电话，然后语音数据通过USB的同步传输进行双向传送。当用户向外拨号时，其过程与来电时的情况是相同的。

2 系统硬件模块设计
2．1系统硬件框图
本设计采用FPGA作为核心控制器件，其控制对象是USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。图2为EZ-USB器件工作在Slave FIFO模式下时FX2 USB和FPGA的典型电路连接图。

2．2 FPGA和USB简介
设计中的核心控制器件FPGA选用Ahrea公司的EP2C8Q208C8，而USB设备器件则选用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是Ahera Cyclone II系列器件中的一种，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工艺生产的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的应用主要定位在终端市场，如消费类电子、计算机、工业和汽车等领域。EP2C8Q208C8内部有2个锁相环(PLL)和8个全局时钟网络，8 256个逻辑单元(LE)个，36个M4K RAM，18个乘法器模块，可用I／O数138个。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和对IP-PBX系统的可扩展性(足够多的I／O接口)的优点，因此这里选择该器件作为系统的控制器件。
CY7C68013A-56器件是第1个包含USB2．0的集成微控制器，其内部集成有1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎(SIE)，1个USB数据收发器，3个8位。I／O、16位地址线、8．5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增强型8051内核完全与标准805l兼容，而性能可达到标准805l的3倍以上。图3为CY7C68013A-56的结构框图。

CY7C68013A器件在数据传输时利用4 KB的FIFO，包含7个端点：EPOIN／OUT，EPlIN，EPlOUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3个64 B的缓冲端点，只能被固件访问，EP0是默认的数据输入输出端口缓存，默认工作于控制传输，EPlIN和EPlOUT是独立的64 B缓存，可以配置成块传输、中断传输或同步传输。端点2、4、6、8是大容量高宽带的数据传输端点，可配置为各种带宽以满足实际需求。端点2、6能配置成每帧成512 B或l 024 B，并可配置为2、3、4级，则EP2，EP6最大能被配置为4 KB的缓存；端点4、8则能配置为每帧512 B的缓存。

3 系统软件设计
3．1 USB Firmware设计
由于设计中使用FPGA控制USB设备进行语音电话通信，所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准请求以及厂商自定义请求；中断传输用于实现设备对主机的唤醒，是唯一的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时传输用于实现语音数据的双向同步传输。USB Firmware设计重点是语音的通信段。
CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3种工作模式。PORTS模式是最基本的数据传输方式，其数据传输需CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是主机方式，内部主机控制端点FIFO；Slave FIFO模式是从机方式，外部控制器，如FPGA、DSP。应用中使用异步FIFO方式，采用内部48 MHz时钟，自动方式，而固件程序的编写则以Cypress公司提供的固件程序框架为基础，在其初始化函数中添加自己的配置代码。
在整个系统中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作为USB接口与主机通信并传输数据；利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之间的数据传输。因此同件主程序比较复杂，除了上面的TD_lnit()初始化外，还需要大量函数，但基本结构相对简单，包括3个过程：USB控制器的初始化；主函数，包括处理标准设备请求的代码；中断处理，包括处理各种中断的程序代码。图4为同件主程序流程。

3．2 USB驱动程序
USB系统软件由主机中的软件和设备同件构成。USB主机中的软件主要包括USB设备驱动(USBDD)、USB总线驱动(USBD)和USB主控制器驱动(HCD)。
USB设备驱动程序(或客户驱动程序)处于最顶层，它支持特定设备类的驱动，负责与其对应的USB设备进行通信和读写控制，实现各个USB设备特殊的功能应用。连接USB设备的每种类型的功能单元都必须具有客户驱动程序。客户驱动程序把USB设备看作是一个可被访问的端点的集合。USB设备可以被控制并与其功能单元通信。USB设备驱动程序通过I／O请求包(IRP)向USB总线驱动程序发送请求。这些请求包将一个给定的传输初始化。这种传输可以来自于一个USB目标设备或发送到USB设备。

USB总线驱动(USBD)是在主机控制器驱动和USB设备驱动之间的模块，它对应USB协议的USBD，在Windows系统中由USBD．SYS模块提供。它是在某一操作系统上对USB总线和协议提供支持的软件，独立于USB设备和USB设备驱动，并对它们进行控制和提供统一编程接口。
USB主控制器驱动程序(HCD)处于最底层，它负责对主机控制器进行抽象和对USB提供低级支持。
3．3 PC端的软件设计
PC端的软件设计采用面向对象程序设计，分为核心类(包括Provider，Data，Net)和应用类(包括UI，Call，Record)。其中核心类提供对硬件、操作系统和网络环境的支持，应用类在核心类的基础上提供对用户操作的支持。Provider类定义对USB设备的读写操作，提供读取数据方法(readusb())和写数据方法(writeusb())；Data类包括地址数据(Address)、音频数据(Audio)和控制数据(Command)的定义，并提供数据的分解方法(Decompose())和组合方法(Compose())；Net类提供对网络的支持，包括网络协议的选择和数据的接收与发送。UI类提供对用户界面的支持，包括窗口、对话框等，实现基本用户框架与应用入口；Call类提供通话功能；Record类则提供电话录音功能；根据不同应用要求，可扩展其他应用类。具体结构如图5所示。

4 结束语
USB灵活的接口和可编程特性可简化外部硬件的设计，提高系统可靠性。而USB2．O控制器CY7C68013A也广泛应用于许多数据传输领域。FPGA已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。这里所介绍的USB设备就是一个基于FPGA的嵌入式系统，该系统软硬件都具有模块化的特性，易于改造成其他应用场合的语音控制系统(DAA除外)。该设计的应用可节省大量的人力、物力。具有较大的推广意义和使用价值。