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基于FPGA的远程USB高速传输系统设计

来源:爱go旅游网
2012年10月第35卷第5期

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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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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