基于FPGA的嵌入式系統USB接口設計

摘要：設計基于FPGA的IP-BX電話應用系統，用于傳統的電話網絡(PSTN)與PC機之間的接口連接。USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56工作在slave FIFO模式，為基于FPGA的嵌入式系統與PC機之間提供數據和命令通道，從而可滿足PC機與FPGA之間數據與命令的高速傳輸，實現PSTN與PC機之間的電話通信。硬件調試結果表明系統工作穩定，通話質量滿足要求。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是應用于PC領域的接口技術，已得到廣泛應用。USB2．0已成為目前電腦中的標準擴展接口。本系統設計的目的在于為公共交換電話網絡(PSTN)和PC機之間提供一個數字接口，設計中PC機是主機，基于FPGA的嵌入式系統是USB設備。該系統是IP-PBX的簡化系統，大量工作由PC的服務器完成，而這里重點介紹以FPGA為控制核心的USB接口設計。

1 系統結構設計
該系統通過TRM(Telephone Response Module)和PC服務器實現PSTN網絡和Internet網絡之間自由、高效通話。圖l為整個系統結構示意圖。

系統工作過程：當有來電時，DAA向FPGA申請中斷。FPGA收到中斷后，使用USB的中斷傳輸向主機報告有外接來電，則PC的應用軟件會提示用戶選擇摘機或拒絕。摘機后，FPGA在接收到命令后就會接通電話，然后語音數據通過USB的同步傳輸進行雙向傳送。當用戶向外撥號時，其過程與來電時的情況是相同的。

2 系統硬件模塊設計
2．1系統硬件框圖
本設計采用FPGA作為核心控制器件，其控制對象是USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。圖2為EZ-USB器件工作在Slave FIFO模式下時FX2 USB和FPGA的典型電路連接圖。

2．2 FPGA和USB簡介
設計中的核心控制器件FPGA選用Ahrea公司的EP2C8Q208C8，而USB設備器件則選用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是Ahera Cyclone II系列器件中的一種，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工藝生產的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的應用主要定位在終端市場，如消費類電子、計算機、工業和汽車等領域。EP2C8Q208C8內部有2個鎖相環(PLL)和8個全局時鐘網絡，8 256個邏輯單元(LE)個，36個M4K RAM，18個乘法器模塊，可用I／O數138個。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和對IP-PBX系統的可擴展性(足夠多的I／O接口)的優點，因此這里選擇該器件作為系統的控制器件。
CY7C68013A-56器件是第1個包含USB2．0的集成微控制器，其內部集成有1個增強型的8051，1個智能USB串行接口引擎(SIE)，1個USB數據收發器，3個8位。I／O、16位地址線、8．5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增強型8051內核完全與標準805l兼容，而性能可達到標準805l的3倍以上。圖3為CY7C68013A-56的結構框圖。

CY7C68013A器件在數據傳輸時利用4 KB的FIFO，包含7個端點：EPOIN／OUT，EPlIN，EPlOUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3個64 B的緩沖端點，只能被固件訪問，EP0是默認的數據輸入輸出端口緩存，默認工作于控制傳輸，EPlIN和EPlOUT是獨立的64 B緩存，可以配置成塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸。端點2、4、6、8是大容量高寬帶的數據傳輸端點，可配置為各種帶寬以滿足實際需求。端點2、6能配置成每幀成512 B或l 024 B，并可配置為2、3、4級，則EP2，EP6最大能被配置為4 KB的緩存；端點4、8則能配置為每幀512 B的緩存。

3 系統軟件設計
3．1 USB Firmware設計
由于設計中使用FPGA控制USB設備進行語音電話通信，所以在USB部分使用3種USB傳輸模式：控制傳輸、中斷傳輸、等時傳輸。控制傳輸用于實現設備枚舉主機的標準請求以及廠商自定義請求；中斷傳輸用于實現設備對主機的喚醒，是唯一的設備主動向主機發送數據的傳輸方式；等時傳輸用于實現語音數據的雙向同步傳輸。USB Firmware設計重點是語音的通信段。
CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3種工作模式。PORTS模式是最基本的數據傳輸方式，其數據傳輸需CPU直接參與，適于傳輸速率要求不高的場合；GPIF模式是主機方式，內部主機控制端點FIFO；Slave FIFO模式是從機方式，外部控制器，如FPGA、DSP。應用中使用異步FIFO方式，采用內部48 MHz時鐘，自動方式，而固件程序的編寫則以Cypress公司提供的固件程序框架為基礎，在其初始化函數中添加自己的配置代碼。
在整個系統中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作為USB接口與主機通信并傳輸數據；利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之間的數據傳輸。因此同件主程序比較復雜，除了上面的TD_lnit()初始化外，還需要大量函數，但基本結構相對簡單，包括3個過程：USB控制器的初始化；主函數，包括處理標準設備請求的代碼；中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。圖4為同件主程序流程。