USB通信技術(shù)在自動測試系統(tǒng)中的應用

1 引言

自動測試系統(tǒng)ATS(Automatic Test System)集成測試所需的全部激勵與測量設備，計算機高效完成各種模式的激勵及響應信號的采集、存儲與分析，對被測單元進行自動狀態(tài)監(jiān)測、性能測試和故障診斷。總線是ATS的重要組成部分，是計算機與測試硬件內(nèi)部及外設傳遞信息的公共通路，其性能參數(shù)直接影響ATS整體的功能實現(xiàn)和性能指標。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)主要用于PC與外圍USB設備互聯(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個外設。該結(jié)構(gòu)獨立性強?？垢蓴_性強、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。

這里通過Cypress公司的USB單片機CY7C68013A的PE和GPIF接口實現(xiàn)計算機與測試控制器件FPGA和緩沖FIFO的高速數(shù)據(jù)通信，完成ATS測試指令信號和數(shù)據(jù)的下載，自檢和反饋數(shù)據(jù)的上傳功能，實現(xiàn)測試技術(shù)的智能化。重點從USB硬件和固件代碼設計闡述在測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中 USB技術(shù)的應用。

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設備的工作流程從設備連接→上電→復位→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主機的控制下實現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換和總線的訪問。USB設備隨時根據(jù)總線活動情況判斷是否進入或退出掛起狀態(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)應用軟件、設備及總線驅(qū)動程序和USB固件3層。應用軟件設計由2部分組成：動態(tài)鏈接庫和應用程序。動態(tài)鏈接庫負責與內(nèi)核態(tài)的USB功能驅(qū)動程序通信并接收應用程序?qū)SB設備I／O的各種操作請求，應用程序調(diào)用Win32 APl函數(shù)DeviceToCon-trol向設備發(fā)出命令；USB設備驅(qū)動程序通過總線驅(qū)動程序發(fā)出輸入輸出請求(IRP)，實現(xiàn)對USB設備信息的發(fā)送和接收；總線驅(qū)動程序負責總線檢測、電源管理和USB事務處理，固件程序?qū)崿F(xiàn)FX2器件的初始化設置，設備請求處理，電源管理和外圍通信功能，是整個通信架構(gòu)的核心。在測試系統(tǒng)中，通過固件代碼建立數(shù)據(jù)物理通道并實現(xiàn)通信協(xié)議，用戶可通過測試軟件對USB設備進行功能控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效通信和測試任務高效、可靠地完成。

3 測試系統(tǒng)USB硬件電路原理

CY7C68013A(簡稱68013A)集成USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強8051內(nèi)核和可編程外圍接口，提供一個高效的 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。本設計利用GPIF方式快速、靈活等特點，有效地解決了端口方式下USB2．0設備數(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，如8／16位數(shù)據(jù)線、CTL、Ready信號及地址線。從通用性、低功耗等方面考慮，將68013A的PA，PB，PD和 PE 4個I／O端口，6個CTL[5：0]和6個RDY[5：0]與FIFO或FPGA相連實現(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是雙向時鐘信號，當配置為輸出時，IFCLK被FX2驅(qū)動為30 MHz／48MHz：當配置為輸入時，時鐘范圍為5～48 MHz；GPIFADR(9)信號為外部設備提供地址線，在總線上地址值是自增的；FD[15：0]是USB主機通過FX2和外部設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，可配置成8位或16位；CTL[5：0]為外設控制信號，如讀寫選通、使能等；RDY[5：0]為外設狀態(tài)檢測信號，如外部FIFO的空、滿等。

整個系統(tǒng)的工作原理：主機通過應用軟件設置將相應的測試指令和數(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RD(或RD2)/WR(或WR2)來控制數(shù)據(jù)的讀／寫。為防止數(shù)據(jù)的空讀或?qū)懸绯觯脴酥径薊F和HF標明FIFO狀態(tài)。這種內(nèi)外FIFO雙緩沖設計為大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸提供更大的緩沖空間和時序匹配。 FPGA從FIFO1接收數(shù)據(jù)的同時，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臏y試調(diào)理和輸出電路，執(zhí)行相應操作，判斷被測試對象的工作情況；如從PE端口收到的是自檢命令，則將測試數(shù)據(jù)回采，判斷系統(tǒng)自身工作情況。被測試對象反饋的信號和測試采集的數(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。