USB通信技術(shù)在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)ATS(Automatic Test System)集成測(cè)試所需的全部激勵(lì)與測(cè)量設(shè)備，計(jì)算機(jī)高效完成各種模式的激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)與分析，對(duì)被測(cè)單元進(jìn)行自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能測(cè)試和故障診斷?？偩€是ATS的重要組成部分，是計(jì)算機(jī)與測(cè)試硬件內(nèi)部及外設(shè)傳遞信息的公共通路，其性能參數(shù)直接影響ATS整體的功能實(shí)現(xiàn)和性能指標(biāo)。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)主要用于PC與外圍USB設(shè)備互聯(lián)。其物理連接是一種分層的菊花鏈結(jié)構(gòu)，最多支持5 Hub層及127個(gè)外設(shè)。該結(jié)構(gòu)獨(dú)立性強(qiáng)?？垢蓴_性強(qiáng)、傳輸速率高、占用資源有限、使用靈活、支持熱插拔，因此USB技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代ATS數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。

這里通過(guò)Cypress公司的USB單片機(jī)CY7C68013A的PE和GPIF接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與測(cè)試控制器件FPGA和緩沖FIFO的高速數(shù)據(jù)通信，完成ATS測(cè)試指令信號(hào)和數(shù)據(jù)的下載，自檢和反饋數(shù)據(jù)的上傳功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)試技術(shù)的智能化。重點(diǎn)從USB硬件和固件代碼設(shè)計(jì)闡述在測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中 USB技術(shù)的應(yīng)用。

2 USB接口通信工作流程

USB具有靈活的1二作流程，如圖1所示。

圖1中，USB設(shè)備的工作流程從設(shè)備連接→上電→復(fù)位→分配地址→配置操作→執(zhí)行固件代碼，6大工作狀態(tài)，這些狀態(tài)在USB主機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換和總線的訪問(wèn)。USB設(shè)備隨時(shí)根據(jù)總線活動(dòng)情況判斷是否進(jìn)入或退出掛起狀態(tài)，節(jié)省USB系統(tǒng)的功耗。

從圖1分析可知，USB通信包括USB系統(tǒng)應(yīng)用軟件、設(shè)備及總線驅(qū)動(dòng)程序和USB固件3層。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)由2部分組成：動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和應(yīng)用程序。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)負(fù)責(zé)與內(nèi)核態(tài)的USB功能驅(qū)動(dòng)程序通信并接收應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備I/O的各種操作請(qǐng)求，應(yīng)用程序調(diào)用Win32 APl函數(shù)DeviceToCon-trol向設(shè)備發(fā)出命令;USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出輸入輸出請(qǐng)求(IRP)，實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收;總線驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)總線檢測(cè)、電源管理和USB事務(wù)處理，固件程序?qū)崿F(xiàn)FX2器件的初始化設(shè)置，設(shè)備請(qǐng)求處理，電源管理和外圍通信功能，是整個(gè)通信架構(gòu)的核心。在測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)固件代碼建立數(shù)據(jù)物理通道并實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，用戶可通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行功能控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效通信和測(cè)試任務(wù)高效、可靠地完成。

3 測(cè)試系統(tǒng)USB硬件電路原理

CY7C68013A(簡(jiǎn)稱68013A)集成USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強(qiáng)8051內(nèi)核和可編程外圍接口，提供一個(gè)高效的 USB2.0解決方案，它可配置為3種數(shù)據(jù)通信模式：端口、GPIF和Slave FIFO模式。本設(shè)計(jì)利用GPIF方式快速、靈活等特點(diǎn)，有效地解決了端口方式下USB2.0設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。FX2專門為GPIF提供外圍接口信號(hào)，如8/16位數(shù)據(jù)線、CTL、Ready信號(hào)及地址線。從通用性、低功耗等方面考慮，將68013A的PA，PB，PD和 PE 4個(gè)I/O端口，6個(gè)CTL[5：0]和6個(gè)RDY[5：0]與FIFO或FPGA相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和握手、控制等功能。

圖2為GPIF方式硬件連接框圖，其中IFCLK是雙向時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)配置為輸出時(shí)，IFCLK被FX2驅(qū)動(dòng)為30 MHz/48MHz：當(dāng)配置為輸入時(shí)，時(shí)鐘范圍為5～48 MHz;GPIFADR(9)信號(hào)為外部設(shè)備提供地址線，在總線上地址值是自增的;FD[15：0]是USB主機(jī)通過(guò)FX2和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，可配置成8位或16位;CTL[5：0]為外設(shè)控制信號(hào)，如讀寫選通、使能等;RDY[5：0]為外設(shè)狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，如外部FIFO的空、滿等。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理：主機(jī)通過(guò)應(yīng)用軟件設(shè)置將相應(yīng)的測(cè)試指令和數(shù)據(jù)經(jīng)USB總線下載到68013A內(nèi)部FIFO中，按照同件代碼配置相關(guān)寄存器、端口和中斷，實(shí)現(xiàn)與FIFO和FPGA的數(shù)據(jù)通信。外部使用兩片F(xiàn)IFO匹配數(shù)據(jù)傳輸速率，由外部控制信號(hào)RD(或RD2)/WR(或WR2)來(lái)控制數(shù)據(jù)的讀/寫。為防止數(shù)據(jù)的空讀或?qū)懸绯?，用?biāo)志端EF和HF標(biāo)明FIFO狀態(tài)。這種內(nèi)外FIFO雙緩沖設(shè)計(jì)為大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸提供更大的緩沖空間和時(shí)序匹配。 FPGA從FIFO1接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，按照從PE口收到的Status[7：0]指令，判斷所接收數(shù)據(jù)的類型和職能，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的測(cè)試調(diào)理和輸出電路，執(zhí)行相應(yīng)操作，判斷被測(cè)試對(duì)象的工作情況;如從PE端口收到的是自檢命令，則將測(cè)試數(shù)據(jù)回采，判斷系統(tǒng)自身工作情況。被測(cè)試對(duì)象反饋的信號(hào)和測(cè)試采集的數(shù)據(jù)，自檢數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)融合處理，從FIFO2傳到68013A的GPIF接收端口，所有CY7C68013A的內(nèi)部數(shù)據(jù)和端口操作全部由固件程序描述。

4 固件程序設(shè)計(jì)

68013A固件負(fù)責(zé)處理主機(jī)各種USB設(shè)備請(qǐng)求，控制68013A與外圍電路FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)主機(jī)和FPGA 之間的通信。設(shè)計(jì)利用Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB固件程序框架，其中包括初始化、處理USB設(shè)備請(qǐng)求、中斷和USB電源管理等任務(wù)，固件的編譯在KeilμVision2的集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。68013A固件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。該設(shè)計(jì)主要包括5個(gè)部分：fw.c(框架源文件)、 periph.c(用戶任務(wù)調(diào)度函數(shù)文件)、dscr.a51(描述符表)、USBJmpTb.OBJ(中斷跳轉(zhuǎn)表)、Ezusb.lib(EZ_USB 庫(kù)文件)。用戶僅需對(duì)dscr.a51和pe-riph.c修改文件中部分代碼即可完成USB設(shè)備的各種功能。periph.c文件通過(guò)調(diào)用任務(wù)分配、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和中斷處理等函數(shù)來(lái)處理USB事件。其中主要修改TD_Init()和TD_Poll()兩個(gè)任務(wù)分配函數(shù)。TD_Init()函數(shù)用于負(fù)責(zé)初始化端點(diǎn)狀態(tài)變量，配置外圍I/O接口及設(shè)置端口初始值。TD_Poll()主要是初始化功能寄存器，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新列舉，完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的配置任務(wù);執(zhí)行過(guò)程中響應(yīng)中斷，對(duì)中斷作相應(yīng)處理并控制外圍電路。

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5 GPIF waveforms設(shè)計(jì)及測(cè)試分析

利用GPIF Designer編輯GPlF waveform波形文件，然后轉(zhuǎn)換生成GPIF.c文件，作為固件的一部分，加入keil c工程進(jìn)行編譯。每個(gè)GPIF波形描述符都由7段組成：state0～state6(簡(jiǎn)稱S0～S6)。執(zhí)行完S0-S6的動(dòng)作后，都進(jìn)入idle狀態(tài) (S7)，以準(zhǔn)備啟動(dòng)下一次GPIF動(dòng)作。每個(gè)state可定義為非決定態(tài)(NDP)或決定態(tài)(DP)。當(dāng)state為NDP時(shí)只是簡(jiǎn)單地延時(shí);為DP 時(shí)，它將根據(jù)RDY[0：5]上的輸入信號(hào)狀態(tài)及內(nèi)部FIFO的可編程標(biāo)志和內(nèi)部自定義的Ready標(biāo)志，將這些信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，并根據(jù)邏輯結(jié)果在選擇即將執(zhí)行的state。每個(gè)state執(zhí)行時(shí)可指定CTL[0：5]輸出狀態(tài)。從而控制外圍時(shí)序電路。圖4和圖5分別是GPIF波形編輯文件和測(cè)試結(jié)果。圖5中下載了開關(guān)量，模擬量和數(shù)字量信號(hào)，各1路，4C6600為START發(fā)送握手標(biāo)志。

6 結(jié)束語(yǔ)

充分利用CY7C68013A的GPIF通信方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)硬件之間控制信號(hào)和測(cè)試數(shù)據(jù)高速、可靠的傳輸;通過(guò)適當(dāng)修改硬件測(cè)試接口，即可利用新開發(fā)固件和應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)通用化測(cè)試目的，具有較高的實(shí)用價(jià)值。基于該設(shè)計(jì)方案的某型號(hào)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于航天測(cè)試領(lǐng)域。