USB通信技术在自动测试系统中的应用

1 引言

自动测试系统ATS(Automatic Test System)集成测试所需的全部激励与测量设备，计算机高效完成各种模式的激励及响应信号的采集、存储与分析，对被测单元进行自动状态监测、性能测试和故障诊断。总线是ATS的重要组成部分，是计算机与测试硬件内部及外设传递信息的公共通路，其性能参数直接影响ATS整体的功能实现和性能指标。

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)主要用于PC与外围USB设备互联。其物理连接是一种分层的菊花链结构，最多支持5 Hub层及127个外设。该结构独立性强。抗干扰性强、传输速率高、占用资源有限、使用灵活、支持热插拔，因此USB技术逐渐成为现代ATS数据传输的发展趋势。

这里通过Cypress公司的USB单片机CY7C68013A的PE和GPIF接口实现计算机与测试控制器件FPGA和缓冲FIFO的高速数据通信，完成ATS测试指令信号和数据的下载，自检和反馈数据的上传功能，实现测试技术的智能化。重点从USB硬件和固件代码设计阐述在测试系统数据传输过程中 USB技术的应用。

2 USB接口通信工作流程

USB具有灵活的1二作流程，如图1所示。

图1中，USB设备的工作流程从设备连接→上电→复位→分配地址→配置操作→执行固件代码，6大工作状态，这些状态在USB主机的控制下实现状态间的转换和总线的访问。USB设备随时根据总线活动情况判断是否进入或退出挂起状态，节省USB系统的功耗。

从图1分析可知，USB通信包括USB系统应用软件、设备及总线驱动程序和USB固件3层。应用软件设计由2部分组成：动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内核态的USB功能驱动程序通信并接收应用程序对USB设备I／O的各种操作请求，应用程序调用Win32 APl函数DeviceToCon-trol向设备发出命令；USB设备驱动程序通过总线驱动程序发出输入输出请求(IRP)，实现对USB设备信息的发送和接收；总线驱动程序负责总线检测、电源管理和USB事务处理，固件程序实现FX2器件的初始化设置，设备请求处理，电源管理和外围通信功能，是整个通信架构的核心。在测试系统中，通过固件代码建立数据物理通道并实现通信协议，用户可通过测试软件对USB设备进行功能控制，实现数据的有效通信和测试任务高效、可靠地完成。

3 测试系统USB硬件电路原理

CY7C68013A(简称68013A)集成USB2．0收发器、串行接口引擎(SIE)、增强8051内核和可编程外围接口，提供一个高效的 USB2．0解决方案，它可配置为3种数据通信模式：端口、GPIF和Slave FIFO模式。本设计利用GPIF方式快速、灵活等特点，有效地解决了端口方式下USB2．0设备数据传输速度瓶颈，大大提高了数据的传输速率。FX2专门为GPIF提供外围接口信号，如8／16位数据线、CTL、Ready信号及地址线。从通用性、低功耗等方面考虑，将68013A的PA，PB，PD和 PE 4个I／O端口，6个CTL[5：0]和6个RDY[5：0]与FIFO或FPGA相连实现数据通信和握手、控制等功能。

图2为GPIF方式硬件连接框图，其中IFCLK是双向时钟信号，当配置为输出时，IFCLK被FX2驱动为30 MHz／48MHz：当配置为输入时，时钟范围为5～48 MHz；GPIFADR(9)信号为外部设备提供地址线，在总线上地址值是自增的；FD[15：0]是USB主机通过FX2和外部设备进行数据传输的数据线，可配置成8位或16位；CTL[5：0]为外设控制信号，如读写选通、使能等；RDY[5：0]为外设状态检测信号，如外部FIFO的空、满等。

整个系统的工作原理：主机通过应用软件设置将相应的测试指令和数据经USB总线下载到68013A内部FIFO中，按照同件代码配置相关寄存器、端口和中断，实现与FIFO和FPGA的数据通信。外部使用两片FIFO匹配数据传输速率，由外部控制信号RD(或RD2)/WR(或WR2)来控制数据的读／写。为防止数据的空读或写溢出，用标志端EF和HF标明FIFO状态。这种内外FIFO双缓冲设计为大容量、高速数据传输提供更大的缓冲空间和时序匹配。 FPGA从FIFO1接收数据的同时，按照从PE口收到的Status[7：0]指令，判断所接收数据的类型和职能，将数据传输到相应的测试调理和输出电路，执行相应操作，判断被测试对象的工作情况；如从PE端口收到的是自检命令，则将测试数据回采，判断系统自身工作情况。被测试对象反馈的信号和测试采集的数据，自检数据经FPGA数据融合处理，从FIFO2传到68013A的GPIF接收端口，所有CY7C68013A的内部数据和端口操作全部由固件程序描述。