基于FPGA的远程USB高速传输系统设计

舰船电子对抗

ＳＨＩＰＢＯＡＲＤＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ　　　

Ｏｃｔ．２０１２

Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５

基于ＦＰＧＡ的远程ＵＳＢ高速传输系统设计

张继军１，刘小平２，陶治洲３，杨　芳１，顾适夷１，范少池４

（中国电子科技集团公司５南京２重庆三峡职业学院，重庆４１．５所，１００１６；２．０４１５５；）海军驻重庆４重庆４重庆江陵机械厂，重庆４３．５３厂军事代表室，０００２１；４．０４０２０

摘要：提出了一种基于现场可编程门阵列（的远程高速通用串行总线（传输系统。ＦＦＰＧＡ）ＵＳＢ）ＰＧＡ作为一种实用

将其应用到Ｕ并配合Ｕ克服了Ｕ的可编程器件，ＳＢ传输系统中，ＳＢ２．０收发器和光纤传输模块，ＳＢ硬件结构对其传　／，输距离的，实现了Ｕ使系统传输速度达到４传输距离达１减少了开ＳＢ远程高速透明传输，８０Ｍｂｓ０ｋｍ以上，发周期，降低了风险。

关键词：通用串行总线；现场可编程门阵列；远程传输；高速传输

（）中图分类号：ＴＰ３４４　　　　　　　文献标识码：Ｂ　　　　　　　文章编号：ＣＮ３２１４１３２０１２０５００９７０４－－－ＤｅｉｎｏｆＬｏｎｄｉｓｔａｎｃｅＨｉｈｓｅｅｄＵＳＢＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ　　－　－　　　　　　ｇｇｇｐｙ

１２３

，，ＺＨＡＮＧＪｉＬＩＵ　ＸｉａｏＴＡＯＺｈｉｚｈｏｕｕｎｉｎ　－－ｐ　－ｊｇ，

１１４

ＹＡＮＧＦａｎＧＵＳｈｉＦＡＮＳｈａｏｃｈｉｉ　　－ｙ　，　－　ｇ，

（；１．Ｔｈｅ５５ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｎａｎｉｎ２１００１６，Ｃｈｉｎａ　　　　　ｊｇ　，；２．ＣｈｏｎｉｎＴｈｒｅｅＧｏｒｅｓＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｅＣｈｏｎｉｎ４０４１５５，Ｃｈｉｎａ　　　ｇｑｇｇｙｇｇｑｇ　　，；３．ＮａｖＲｅｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅｏｆＰＬＡｉｎＮｏ．４５３ＦａｃｔｏｒＣｈｏｎｉｎ４０００２１，Ｃｈｉｎａ　　　　　ｙｐｙｇｑｇ　　

，）４．ＣｈｏｎｉｎＪｉａｎｌｉｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＦａｃｔｏｒＣｈｏｎｉｎ４０４０２０，Ｃｈｉｎａ　　ｇｑｇｇｙｇｑｇ　　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓａｅｒｂｒｉｎｓｆｏｒｗａｒｄａｌｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｈｉｈｓｅｅｄｕｎｉｖｅｒｓａｌｓｅｒｉａｌｂｕｓ（ＵＳＢ）ｔｒａｎｓ　　　　　－　－　　　－ｐｐｇｇｇｐｒｏｒａｍｍａｂｌｅａｔｅｒａｃｔｉｃａｌｒｏｒａｍｍａｂｌｅｍｉｓｓｉｏｎｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｆｉｅｌｄａｒｒａＦＰＧＡ）．Ａｓａｄｅ　　　　　　　　　　　－ｐｇｇｐｐｇｙｙ（，ｖｉｃｅＦＰＧＡｉｓａｌｉｅｄｔｏｔｈｅＵＳＢｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｓｔｅｍ，ａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆＵＳＢｈａｒｄ　　　　　　　　　　　　　－ｐｐｙｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｉｔｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｃｏｏｅｒａｔｉｎｗｉｔｈＵＳＢ２．０ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒａｎｄｏｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ　　　　　　　　　　　ｐｇｐ　

，ｍｏｄｕｌｅｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｌｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｈｉｈｓｅｅｄｔｒａｎｓａｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆＵＳＢ，ｗｈｉｃｈｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　　　－　－　　　　ｇｇｐｐ／ｔｈｅｓｓｔｅｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｅｅｄｒｅａｃｈ４８０Ｍｂｓａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｅｘｃｅｅｄ１０ｋｍ，ｍａｋｅｓ　　　　　　　　　　　　ｙｐ

，ｓｈｏｒｔｅｎｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｒｉｓｋ．ｅｒｉｏｄ　　　　　ｐｐ：；；；Ｋｅｗｏｒｄｓｕｎｉｖｅｒｓａｌｓｅｒｉａｌｂｕｓｆｉｅｌｄｒｏｒａｍｍａｂｌｅａｔｅａｒｒａｌｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｈｉｈ　　　　　－　－ｐｇｇｙｇｇｙ　ｓｅｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐ

一种是使用ＵＳＢ２．０专用芯片和单片机配合完成　

然后通过网线或电话线等实现远距ＵＳＢ２．０协议，　离传输，这种方案存在开发困难（涉及固件程序、上、成本高和速度低等缺位机程序和驱动程序的开发）

点；另一种方案是将ＵＳＢ２．０协议用ＦＰＧＡ的ＩＰ　

核实现，利用ＦＰＧＡ的高处理能力和可编程性作为从而实现远距传输。但是，开发主机和设备的中介，

同时要占去ＦＵＳＢ２．０协议的ＩＰ核难度较大，ＰＧＡ　

０　引　言

即插即用、数据传输可靠等ＵＳＢ具有热插拔、

已成为当前计算机的主要接口之一。由于优点，

其广泛应用于高保ＵＳＢ总线具有高速传输的特性，真图像视频传输、大容量数据采集等场合。但是，——传输距离。ＵＳＢ也存在不可逾越的—

传统的延长ＵＳＢ传输距离的方案主要有２种：

收稿日期：２０１２０２２０－－９８

舰船电子对抗　　　第３５卷　

很多的资源，而且更重要的是如果要实现４８０Ｍｂ／ｓ的高速传输，ＦＰＧＡ的时钟需要达到２ＧＨｚ，这是困难而且不现实的。

采用了一种专业公司生产的高速ＵＳＢ物理层

收发器（ＰＨＹ）与现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）相配合的方式，利用高速ＵＳＢ物理层收发器来完成物理层协议，然后与现场可编程门阵列开发的符合业界标准的接口相连，

进而控制了上行数据和下行数据有序的流通，实现了ＵＳＢ　

２．０传输距离的延长，在保证信号传输正确的前提下，减少了开发周期，增加了实际运用价值，达到了高速远距透明传输的目的。

　系统总体设计方案

提出的ＵＳＢ高速远程系统设计方案可实现高速（４８０Ｍｂ／ｓ）远距（１０ｋｍ以上）ＵＳＢ协议的传输。系统整体设计方案如图１所示。系统分本地和远端两部分，分别由ＰＣ主机、ＵＳＢ设备、ＵＳＢ电缆和收发机组成。它们都严格遵从ＵＳＢ协议规范。ＰＣ主机对整个系统进行控制，

收发机完成传输信号的转换并实现ＵＳＢ信号长距离传输，设备完成对ＰＣ机的响应。

图１系统框图

设计的核心是远端和本地收发机，它延长了ＵＳＢ信号的有效传输距离，打破了ＵＳＢ协议对传

输距离的。在系统正常工作的情况下，ＰＣ主机可以实现对设备的“透明”访问，如同将设备直接通过ＵＳＢ电缆连至主机一样。收发机由３个主要模块组成：

（１）ＵＳＢ物理接口；（２

）光收发模块；（３）ＦＰＧＡ控制模块。此外，还应有必要的供电模块及辅助电路。

２　系统的具体实现

２．１　ＵＳＢ物理接口

选用美国国家半导体公司提供的ＵＳＢ３３００作

为ＵＳＢ物理接口模块的核心芯片［１］

。ＵＳＢ３３００是一种在工业温度下工作的高速ＵＳＢ物理层收发

器。该芯片使用低引脚计数接口（ＵＬＰＩ）连接ＵＬＰＩ兼容链路层。ＵＬＰＩ接口采用在链路层和ＰＨＹ之间传输频带内信号和状态字节的方法，将引脚数从

ＵＴＭＩ＋接口的５４降低到现在的１２［２］

。

ＵＬＰＩ全称为ＵＴＭＩ＋低引脚接口（ＵＴＭＩ＋

ＬＰＩ），用于消除ＵＳＢ开发者在高速ＵＳＢ　２．０逻辑设计中的困难，负责处理ＵＳＢ总线的底层协议和信号，完成ＵＳＢ协议电气层上的处理任务。ＵＴＭＩ的关键特性主要有：向逻辑电路提供标准的ＵＴＭＩ接

口；支持４８０Ｍｂ／ｓ高速模式；数据的并－串／串－并转换；比特填充和比特解填充；比特填充错误的检测；ＳＹＮＣ／ＥＯＰ的产生和检测；从ＵＳＢ的串行流中进

行数据和时钟的恢复；保持寄存器用于暂存要发送和接收的数据；

检测和发送恢复信号；检测复位和挂起／唤醒功能；支持在全速和高速之间切换及终端阻抗的切换。这些特征都为实现高速远距传输提供了实用的帮助。

通过开发符合业界标准的ＵＬＰＩ接口，将高速ＵＳＢ３３００收发器整合于设计中。通过对ＵＳＢ３３００内部寄存器的访问来实现对该芯片的控制，ＵＬＰＩＵＳＢ设备框图如图２所示。该芯片与ＦＰＧＡ的接口只有１２个，除８条数据线外，其它均可进行控制。节省了设计开发时间，简化了验证和产品测试过程，还能保证嵌入式ＵＳＢ核心逻辑器件与高速ＵＳＢ收

发器的互联互通。

图２　基本ＵＬＰＩ　

ＵＳＢ设备框图２．２　ＦＰＧＡ控制模块２．２．１　ＵＳＢ协议传输过程

ＵＳＢ的事务处理包括主机发起任务、

数据传输和设备应答［３］

。事务处理必须在１帧内完成，而１帧的时间为１ｍｓ

。如果在１帧时间里主机没有得到设备的答复，则造成１次传输错误。同时，ＵＳＢ

１第５期张继军等：基于ＦＰＧＡ的远程ＵＳＢ高速传输系统设计

９９

协议还规定，在事务处理中，应答的等待至多为１８个位时间，约为１．５μｓ

。因此，如果传输距离太长，传输导线上的延时就会超过１帧的时间，导致传输错误。为了实现高速远距离的传输，必须对ＵＳＢ协议中的事务包进行相应的处理。

ＵＳＢ的事务处理主要包括ＩＮ事务处理、ＯＵＴ

事务处理和ＳＥＴＵＰ处理［４］

。这些事务处理的本质类似，在此以ＩＮ事务处理举例说明。一般情况下如图３所示，ＵＳＢ主机向总线发出ＩＮ令牌包，通知某个设备准备向ＵＳＢ主机发送数据；当所指定的设备接收到令牌并验证后，将准备好的数据组装成ＤＡＴＡ包由ＵＳＢ主机传送出去；接着当ＵＳＢ主机接收到数据，经校验确认其位填充、ＰＩＤ和ＣＲＣ均无差错后，创建一个ＡＣＫ握手包返回给设备，通知它主机已经正确地接收到了数据，后面再进行新的事务处理。当主机收到的ＤＡＴＡ包错误时，握手包将不会产生，表明此事务处理过程没有成功，而主机等待一定时间后将会重新启动任务。当设备没有准备好时，

它会给主机发送一个ＮＡＫ握手包，表示现在还不能传输数据，而主机会在一定时间内重新启动此事务。正是基于ＵＳＢ协议的此特征，为ＵＳＢ传输延长设计提供了理论基础。

图３　ＩＮ事务处理

主机发起任务，而设备没有准备好的情况下，可以发送ＮＡＫ来让主机等待，利用这一特性，设计了高速远距ＵＳＢ传输方案。具体的实现方案如图４所示。

主机发送ＩＮ令牌给本地收发端，由于要远距传输，设备不可能在ＵＳＢ协议规定的时间返回数

据，于是本地收发端在将数据下行传输给设备的同时给主机返回一个ＮＡＫ信号，让主机一直等待。而远端的收发端收到信号后将会直接发给设备，并将设备返回的信号上传给本地的收端。本地收发端接收到信号后，便会继续上传给主机。因此，在延长ＵＳＢ传输距离的同时，

实现了主机和设备的透明图４　ＩＮ事务远程传输

传输。

．２．２　ＦＰＧＡ设计

由于不需在ＦＰＧＡ内部完成ＵＳＢ协议ＩＰ核，采用ＡＬＴＥＡＲ公司的ＣＹＣＬＯＮＥ　

ＩＩＩ系列ＥＰ３Ｃ１０芯片完全能胜任此工作［５］

。并且其功能强大、成本

低廉，

降低了开发风险。ＦＰＧＡ内部模块如图５如示。模块由三部分组

成：协议控制逻辑单元、ＵＬＰＩ接口逻辑单元和数据存储单元。当主机向设备发送数据时，首先由高速的ＵＳＢ　ＰＨＹ完成物理层协议，然后通过８位并行总线传输给ＦＰＧＡ的ＵＬＰＩ接口单元，协议控制逻辑单元根据所接收到的数据进行相应的处理，向主机返回ＮＡＫ命令同时又将数据下传，或是直接给主机回复ＡＳＫ命令以结束本次事务。当将数据下传时，则会通过下行的ＵＬＰＩ接口与设备进行通信。同理，如果设备要向主机传送数据时，过程类似。从上面的分析可以看出，在保证信号高速、远距传输的前提下，简化了ＦＰＧＡ的设计难度，降低了开发周期，减少了开发成本。

图５　ＦＰＧＡ内部模块图

．３　光收发模块设计

选用美国国家半导体公司生产的Ｓ９２ＬＶ１２２４来完成与光纤的通信。ＤＳ９２ＬＶ１２２４是３００～

００Ｍｂ／ｓ的串并转换器，支持高速的单向串行数据传输。由于其支持４８０Ｍｂ／ｓ传输速度，才完成了ＵＳＢ　

２．０协议规定的高速传输。２２６１００

舰船电子对抗　　　

减少了开发风险。低了开发难度，

第３５卷　

３　结束语

讨论了Ｕ提ＳＢ２．０协议远程高速传输的原理，　供了一种基于ＦＰＧＡ的远程ＵＳＢ高速传输系统的

验证了方案的可行性。该系统主要特点实现方案，包括：

（）远距离。由于使用Ｆ１ＰＧＡ完成了ＵＳＢ２．０　

协议的转换，并用光纤传输突破了协议对传输距离的约束，使传输距离达１０ｋｍ以上。

）高速性。采用专业公司生产的Ｕ（２ＳＢＰＨＹ　高速完成物理层协议，从而真正实现了ＵＳＢ２．０协　议的高速传输。

）经济性。采用价格低廉的Ｃ（３ＹＣＬＯＮＥＩＩＩ　芯片以及一些简单的模块实现了ＵＳＢ２．０协议的　远程传输，从而可以轻易地组装在现有大量支持所以客户使用本系统时无ＵＳＢ２．０协议的设备上，　

需另外更换硬件，达到了经济实用的效果。

（）简易性。Ｆ４ＰＧＡ只是完成了一些简单的逻而不用设计复杂的Ｕ从而降辑控制，ＳＢ２．０ＩＰ核，

综上所述，现有方案设计简易，经济实用，能突破Ｕ并且保证其高速传输特ＳＢ传输距离的，具有较高的实用价值。性，参考文献

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，，ＳａｒａｈＣｈｕｒｃｈＡｎｄｒｅｗＬａｎｅＪｏｎａｓＺｍｕｉｄｚｉｎａｓ．ＡＥ，　　　ｇ９６ｚｏｒｔｈｏｏｄｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｆｏｒｔｈｅｏｌａｔｒｏｎ［Ｊ］．－ＧＨ　－ｍ　　　　ｐ，ＩＥＥＥ　ＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＧｕｉｄｅｄＷａｖｅＬｅｔｔｅｒｓ１９９８，８　　　　（）：１２４２１４２３．－［］６ｉａｎ－ＬｉｎＺｈａｎＺｅ－Ｈｏｎａｎ，ＬｅｉＣｈｅｎ，Ｆａｎａｎ　Ｔｇｇ，ｇＹｇ－Ｆｇ

Ｆａｎ．Ｄｅｓｉｎｏｆｂｒｏａｄｂａｎｄｏｒｔｈｏｍｏｄｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｂａｓｅｄ　　　　　ｇｏｎｄｏｕｂｌｅｒｉｄｅｄｗａｖｅｕｉｄｅ［Ａ］．ＩＣＭＭＴ２０１０Ｐｒｏ　　　　－ｇｇ，ｃｅｅｄｉｎｓ２０１０ＩＥＥＥ［Ｃ］２０１０：７６５７６８．　－ｇ

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图２０　和差比较器极化隔离曲线

泛的应用前景。隔板圆极化器可以同时实现左右旋圆极化变换，结构紧凑，加工方便，并且电性能指标正交模耦合器可以实现极化分离，在双也比较理想；

极化和变极化系统中应用比较广泛；性能优良的单脉冲和差比较器是实现单脉冲雷达测距、测角的关键。本文所设计仿真的圆极化、双极化四喇叭单脉冲天线以及单脉冲和差比较器性能优良，各项指标均能满足设计要求，具有广泛的应用前景。参考文献

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