基于USB2．0協(xié)議的通用測控通信接口設(shè)計(jì)

 隨著我國航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，對地面遙控遙測接收機(jī)的實(shí)時(shí)性和高速數(shù)據(jù)傳輸性能的要求越來越高。越來越多的遙測遙控地面信道處理器都采用了實(shí)時(shí)能力更強(qiáng)的高速DSP/FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)方案?；贒SP/FPGA架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)出強(qiáng)大的處理能力和高度的靈活性。但是，在研發(fā)中發(fā)現(xiàn)對FPGA以及DSP/FPGA之間的接口調(diào)試很費(fèi)時(shí)間和精力。究其原因是FPGA在線調(diào)試功能的支持很局限，所以本文設(shè)計(jì)一種通用的適于DSP/FPGA架構(gòu)的遙測接收機(jī)的調(diào)試和測控通信接口，從而方便在研發(fā)中進(jìn)行調(diào)試和可靠的傳輸測控中所需的實(shí)時(shí)參數(shù)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)的通常做法是使用網(wǎng)絡(luò)接口來完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸，但是在建立連接之后，數(shù)據(jù)傳輸中，一旦出現(xiàn)掉電或重啟就會丟失數(shù)據(jù)，甚至?xí)霈F(xiàn)程序跑飛現(xiàn)象。通用串行總線(USB)因具有傳輸速度快、支持熱插拔、易于擴(kuò)展以及即插即用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的常用接口。USB控制器是一種集成了USB總線協(xié)議的微控制器，利用USB控制器，用戶可以在不深入了解USB協(xié)議的情況下設(shè)計(jì)完整的USB接口，這也促進(jìn)了USB接口的廣泛應(yīng)用。

為了滿足更高的測控及數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，提出并設(shè)計(jì)一種基于CY7C68013A的通用測控通信接口。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、普適性好，并且可傳輸高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)大致可分為3個(gè)部分。其中FPGA主要完成通信接收機(jī)的信號捕獲跟蹤、載波恢復(fù)、定時(shí)同步、圖像數(shù)據(jù)下傳、測控指令上傳以及USB芯片端點(diǎn)FIFO的讀寫控制。PC端的控制終端主要完成圖像數(shù)據(jù)的接收和處理、測控指令的生成、GUI交互界面的更新、重要參數(shù)的記錄和備份。Cypress FX2LP芯片主要完成數(shù)據(jù)的雙向傳遞以及與PC間的“問答”邏輯的實(shí)現(xiàn)。Cypress FX2LP芯片一方面要配置端點(diǎn)相關(guān)寄存器和讀寫緩存中的數(shù)據(jù)，另一方面通過端點(diǎn)0“回答”PC終端程序關(guān)于內(nèi)部緩存中數(shù)據(jù)狀態(tài)情況的查詢，而且在數(shù)據(jù)不滿足傳輸指定格式的時(shí)候，還要將數(shù)據(jù)包修改成符合傳輸設(shè)定的格式的數(shù)據(jù)包。

FPGA采用Xilinx公司的Spartan-6系列芯片，考慮到遙測指令和圖像數(shù)據(jù)的優(yōu)先級別，采用中斷模式控制器對USB的端點(diǎn)FIFO進(jìn)行讀寫控制。當(dāng)沒有遙測指令需要上傳的時(shí)候，F(xiàn)PGA中的FIFO讀寫控制器不斷的將圖像數(shù)據(jù)寫入到USB的端點(diǎn)FIFO中;當(dāng)FIFO讀寫控制器檢測到USB端有遙測指令需要上傳的時(shí)候，即暫緩圖像數(shù)據(jù)的寫入，將圖像數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)部RAM中，釋放讀寫總線，然后開啟讀取FIFO的控制進(jìn)程將遙測指令讀入到FPGA的暫存FIFO中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CY7C68013A芯片簡介

CY7C68013A為Cypress公司的一款高性能的USB2.0微控制器，其內(nèi)部集成了USB2.0收發(fā)器、增強(qiáng)型的8051核、智能串行接口引擎(SIE)、4個(gè)片上FIFO和16KBRAM、通用可編程接口(GPIF)。該芯片支持全速(12 Mbps)和高速(480Mbps)兩種速率的數(shù)據(jù)傳輸。其內(nèi)嵌的增強(qiáng)的8051處理器支持兩個(gè)USART、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)以及I2C協(xié)議總線外設(shè)。CY7C68013A支持3種接口模式和外部器件進(jìn)行通信，分別是：Ports模式，GPIF Master模式和Slave FIFO模式。

2.2 FPGA接口模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中的CY7C68013A采用異步SlaveFIFO的工作模式。圖2給出了CY7C68013A和Spartan-6的硬件連接圖。其中，USB_FLAGA(B/C)為CY7C68013A輸出的狀態(tài)標(biāo)志信號，在USB固件中可以靈活的將它們配置為端點(diǎn)FIFO的狀態(tài)滿、空或者任意可編程的標(biāo)志位;USB_SLOE、USB_ SLRD、USB_WR組合完成對CY7C68013A端點(diǎn)FIFO的讀寫時(shí)序控制;USB_FD為雙向的數(shù)據(jù)總線;USB_PKEND為數(shù)據(jù)打包控制信號。

FPGA接口模塊設(shè)計(jì)主要包含上行緩存、下傳緩存、雙向FIFO邏輯控制邏輯設(shè)計(jì)。其中雙向的FIFO邏輯控制完成對CY7C68013A的端點(diǎn)FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，并且完成從下傳緩存中讀取數(shù)據(jù)以及把上傳的數(shù)據(jù)寫入到上傳緩存的時(shí)序控制。本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)并行的狀態(tài)機(jī)來控制，兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分別實(shí)現(xiàn)從USB端點(diǎn)FIFO讀取數(shù)據(jù)并寫入到上行緩存，從下行緩存中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的端點(diǎn)FIFO中?？紤]到下行圖像數(shù)據(jù)和上行遙測控制指令的優(yōu)先級，將兩個(gè)狀態(tài)機(jī)之間的信息交互設(shè)計(jì)成在中斷模式下運(yùn)行，以此來解決對數(shù)據(jù)總線的共享問題。

讀取USB端點(diǎn)FIFO控制狀態(tài)機(jī)如圖3所示。圖中小圓圈標(biāo)注的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的意義為：a表示USB端點(diǎn)FIFO中沒有需要讀取的數(shù)據(jù)或者上行緩存阻塞;b表示沒有檢測到讀取請求ACK的有效信號;c表示檢測到USB端點(diǎn)FIFO中無待讀取數(shù)據(jù);d表示在狀態(tài)S4的情況下，檢測到USB端點(diǎn)FIFO中無待讀數(shù)據(jù)的次數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的閾值VT。該控制狀態(tài)機(jī)共包含了8個(gè)狀態(tài)。其中，Idle為初始狀態(tài);S2狀態(tài)完成是否接收到讀取請求ACK信號，如果收到則轉(zhuǎn)入S3進(jìn)入讀取數(shù)據(jù)的流程，反之，則停留在該狀態(tài)等待回應(yīng);S3狀態(tài)為讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)備地址信號，并輸出地址信號;S4狀態(tài)再次確定是否有數(shù)據(jù)需要讀取;S5完成從USB端點(diǎn)FIFO中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)部寄存器中;S6完成將內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)寫入到上行緩存中;S7完成判斷是否需要(能)繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，若需要(能)繼續(xù)讀取，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S5，反之，回到Idie狀態(tài)等待下次讀取的啟動(dòng)。

寫端點(diǎn)FIFO控制狀態(tài)機(jī)如圖4所示。圖中小圓圈標(biāo)注的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的意義為：a表示讀取USB端點(diǎn)FIFO的標(biāo)志有效，說明數(shù)據(jù)總線被占用;b表示檢測到USB端點(diǎn)接收數(shù)據(jù)FIFO中的數(shù)據(jù)已填滿。該狀態(tài)機(jī)中共包含了8個(gè)狀態(tài)，其中Idle為初始狀態(tài)，判斷是否有讀取數(shù)據(jù)請求信號，若有轉(zhuǎn)入對讀取請求中斷處理狀態(tài)S1，反之，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S3開始數(shù)據(jù)的寫入進(jìn)程;S2狀態(tài)等待讀取數(shù)據(jù)結(jié)束，釋放數(shù)據(jù)總線，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S3;S4從下行緩存中讀取數(shù)據(jù)，存入到內(nèi)部寄存器中;S6將內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)寫入到USB端點(diǎn)FIFO中;S7判斷是否需要(并且數(shù)據(jù)總線空閑、端點(diǎn)FIFO中未滿)繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，若需要(能)繼續(xù)讀取，轉(zhuǎn)入狀態(tài)S4，反之，將打包信號USB_PKTEND置為有效并且回到Idle狀態(tài)啟動(dòng)下一次寫狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行。

航空航天測控設(shè)備因?yàn)槠涮厥獾膽?yīng)用環(huán)境，常常遭受強(qiáng)磁場、空間強(qiáng)粒子流或者單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)等特殊干擾的影響。所以在上面的狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)中，對重要的觸發(fā)信號和標(biāo)志位信號進(jìn)行了多次間隔性冗余保護(hù)確認(rèn)。如在讀取控制狀態(tài)機(jī)中，在S4狀態(tài)下再次對USB端點(diǎn)FIFO中是否有需要讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是為了防止因?yàn)镻CB電氣特性不穩(wěn)定或者偶然的空間電磁干擾導(dǎo)致之前啟動(dòng)讀取數(shù)據(jù)的進(jìn)程為誤判，而在此再次確定該信號的有效性，這樣設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗干擾能力。類似的容錯(cuò)思想在寫端點(diǎn)FIFO控制狀態(tài)機(jī)的S1狀態(tài)也可以體現(xiàn)出來。

2.3 USB驅(qū)動(dòng)程序

Cypress FX2開發(fā)包中提供了通用的驅(qū)動(dòng)程序，通用驅(qū)動(dòng)程序完成與外設(shè)和用戶應(yīng)用程序的通信和控制，微處理器根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 固件程序設(shè)計(jì)

CY7C68013A芯片的固件程序運(yùn)行在芯片內(nèi)部，主要完成對芯片工作模式的配置以及處理主機(jī)的USB設(shè)備請求。Cypress提供了固件程序的開發(fā)框架，開發(fā)人員只需要按應(yīng)用背景和需求對所給框架內(nèi)的程序做細(xì)化和修改即可。USB傳輸可分成數(shù)據(jù)傳輸和控制傳輸，其中數(shù)據(jù)傳輸由大端點(diǎn)(EP2/4/6/8)完成，控制傳輸由小端點(diǎn)(EPO)完成。在固件程序中，TD_Poll()為數(shù)據(jù)處理程序，處在主函數(shù)的While()循環(huán)中。該函數(shù)包含實(shí)現(xiàn)特殊任務(wù)的代碼，設(shè)備運(yùn)行時(shí)將被重復(fù)調(diào)用。

在本系統(tǒng)中，我們將EP2配置為Bulk傳輸模式的OUT端點(diǎn)，其端點(diǎn)緩存為512Byte，兩級緩存;EP6配置為Bulk傳輸模式的IN端點(diǎn)，其端點(diǎn)緩存為512Byte，四級緩存。并且把EP6FIFO配置為AUTIN模式，其AUTOINLEN配置為512Byte。固件程序還必須完成對PC控制終端發(fā)送來的USB控制傳輸請求的響應(yīng)。端點(diǎn)0是CY7C68013A中唯一的控制端點(diǎn)，它是一個(gè)可完成雙向控制傳輸?shù)亩它c(diǎn)，只有它才能處理SETUP指令。完成主機(jī)USB控制傳輸請求的固件程序段，只需要在所給固件框架下的函數(shù)DR_VendorCmnd()中返回EP2468STAT寄存器的值即可實(shí)現(xiàn)。

3.2 控制上位機(jī)設(shè)計(jì)

該測控接口的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用MFC編程，MFC封裝了大部分的windows API函數(shù)，采用消息循環(huán)機(jī)制處理事件。在MFC框架生成的工程中，添加上Cypress提供的CyAPI庫文件，即可在工程中調(diào)用庫中已經(jīng)封裝好的類的成員變量以及成員函數(shù)。在上位機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了多線程編程，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示。

在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，主線程主要完成在消息循環(huán)機(jī)制下檢測面板上的點(diǎn)擊事件，以及對子線程做出的相應(yīng)的控制。在主線程的初始化中，首先生成CCyUSBDevice對象，然后讀取硬件配置信息以及設(shè)備的必要識別信息并顯示在前操作面板上，最后建立RXfer子線程。在主線程中，當(dāng)檢測到Send按鈕被點(diǎn)擊時(shí)。即開始發(fā)送上行指令。此處采用同步數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。當(dāng)主線程中檢測到Start按鈕被點(diǎn)擊時(shí)，根據(jù)RXfer線程的不同狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在RXfer子線程中，主要完成下行數(shù)據(jù)的接收、下行數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文檔以及管理隊(duì)列中的請求等工作。在下行數(shù)據(jù)接收線程中，我們采用了異步數(shù)據(jù)傳輸方式。在異步傳輸方式下，上位機(jī)軟件發(fā)出數(shù)據(jù)請求之后，不需要等待回應(yīng)，即可立即發(fā)出下一次的數(shù)據(jù)請求，這樣可極大的提高上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)吞吐速率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。多次的異步?shù)據(jù)請求是利用數(shù)據(jù)請求隊(duì)列來完成的，在線程函數(shù)的開始，開辟適當(dāng)長度的數(shù)據(jù)請求隊(duì)列，并且給他們分配相應(yīng)的內(nèi)存空間，然后進(jìn)入到線程的循環(huán)體中。在循環(huán)體中，完成當(dāng)前的隊(duì)列元素中的請求數(shù)據(jù)傳輸并把相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文檔之后，立即將新的數(shù)據(jù)請求塞入到該隊(duì)列元素中，并且把指針更新到下一個(gè)隊(duì)列元素。當(dāng)數(shù)據(jù)請求失敗、接受數(shù)據(jù)不成功或者循環(huán)接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位False時(shí)，首先完成隊(duì)列中其他已經(jīng)成功請求數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后關(guān)閉文件句柄，釋放相應(yīng)的資源，最后終止線程。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

該通用測控通信接口用于實(shí)際測控?cái)?shù)據(jù)的下傳，實(shí)際測試面板如圖6所示。在進(jìn)行測試時(shí)，首先運(yùn)行該測試應(yīng)用軟件，完成初始化之后，在設(shè)備信息顯示框中顯示USB設(shè)備信息，其中包括設(shè)別的PID和VID、EndPoint配置情況、設(shè)備描述信息等信息。然后通過點(diǎn)擊“start”按鈕，建立起RXfer線程，開始接收下行傳輸數(shù)據(jù)。若需發(fā)送指令，在Send按鈕左邊的輸入框中輸入適當(dāng)?shù)倪b測遙控指令，然后點(diǎn)擊Send即可發(fā)送。測試系統(tǒng)中所接收到的數(shù)據(jù)如圖7所示。在此數(shù)據(jù)中采用了符合CCSDS航天測控標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，幀頭為EB90，接下來的三個(gè)Byte為幀計(jì)數(shù)(圖中顯示的是000007)，幀結(jié)尾標(biāo)志位13AB，幀結(jié)尾標(biāo)志的前兩個(gè)Byte為RS譯碼報(bào)告輸出(譯碼前數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)，錯(cuò)誤是否可糾)。

對該通用測控通信接口的速率和可靠性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示。對比表中數(shù)據(jù)看出，該接口的最高的可靠的傳輸速率可達(dá)為8.1MB/s，對2.3MB/s和8.1MB/s的速率進(jìn)行了可靠性測試，測試的結(jié)果都顯示，在該速率下所設(shè)計(jì)的測控通信接口可以完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

5 結(jié)論

該測控通信接口系統(tǒng)采用USB2.0協(xié)議芯片CY7C68013A和FPGA搭建了硬件平臺，在FPGA狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中采用中斷模式的雙狀態(tài)機(jī)和關(guān)鍵標(biāo)志冗余設(shè)計(jì)的思想，軟件設(shè)計(jì)采用多線程的設(shè)計(jì)思想，提高了通信接口的可靠性和傳輸速率。該測控通信接口已用于實(shí)際測控通信系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用表明該測控通信接口具有速率高、穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。