基于USB 2．0總線的航天設(shè)備地面檢測系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于USB 2．0總線的接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要運(yùn)用于航天設(shè)備的地面檢測中。討論了USB 2．0控制器CY7C68013A與FPGA構(gòu)成接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方式以及系統(tǒng)的通用性，著重論述了通用接口設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)以及影響USB 2．0設(shè)備速度的因素。應(yīng)用結(jié)果表明，USB 2．0轉(zhuǎn)換的接口有很強(qiáng)的通用性，能達(dá)到很高的傳輸速率，可以廣泛地運(yùn)用于航天設(shè)備地面檢測以及普通工業(yè)測試系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：USB 2．0；DMA；FPGA；CY7C68013A

0 引言
通用串行總線USB 2．0因其可熱插拔特性以及傳輸速度高而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在高速傳輸模式下可以達(dá)到480 Mb／s。相對于通用串口而言，USB 2．0有速度高的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的接收發(fā)送速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于RS 232等接口。而相對于PCI而言，USB 2．0具有熱插拔以及安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，不需要停止計(jì)算機(jī)設(shè)備的運(yùn)行便可以進(jìn)行安裝拆卸。因此，考慮到以上優(yōu)點(diǎn)，可以通過FPGA將其轉(zhuǎn)換為各種不同接口以滿足不同
的應(yīng)用需求。
USB接口擁有傳輸速度高、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。在航天設(shè)備的檢測中，經(jīng)常需要處理多種不同的接口和不同數(shù)據(jù)格式，可以將USB 2．0接口加以轉(zhuǎn)換，在一個設(shè)備中集成多種不同的接口。本系統(tǒng)將PC機(jī)上的一個USB 2．0接口轉(zhuǎn)換為LVDS(Low Voltage Differential Signal)以及RS 422等接口，同時通過PC上位機(jī)軟件模擬相關(guān)的接口數(shù)據(jù)，使得航天設(shè)備的檢測變得更加簡便快捷。同時由于系統(tǒng)采用了可編程邏輯器件FPGA作為系統(tǒng)接口轉(zhuǎn)換單元，可以通過改變FPGA中的邏輯使系統(tǒng)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，加快了系統(tǒng)在不同運(yùn)用場合下的開發(fā)速度，使系統(tǒng)具有很高的通用性。
系統(tǒng)采用Cypress公司的USB控制器Cy7C68013A以及Actel公司的APA300系列FPGA作為系統(tǒng)的主要部分，實(shí)現(xiàn)了USB 2．0總線與多種航天設(shè)備接口之間的互相轉(zhuǎn)換，并成功運(yùn)用于多個衛(wèi)星任務(wù)有效載荷的地面檢測中。本文給出了USB 2．0到各種接口轉(zhuǎn)換電路的相關(guān)軟硬件方案，同時討論了影響USB 2．0速度的相關(guān)問題。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)主要用于航天設(shè)備的地面檢測中，通常需要涉及多種接口，如RS 422，LVDS等，同時需要模擬外部的開關(guān)控制信號等，涉及的信號接口比較雜。在最初設(shè)計(jì)中，該檢測設(shè)備主要用于某型號衛(wèi)星電子設(shè)備接口功能和性能的測試，具體要求如下：
(1)模擬有效載荷功能，通過LVDS接口發(fā)送原始圖像數(shù)據(jù)至測控接口單元，共4路LVDS接口信號，分別為幀同步、行同步、時鐘和數(shù)據(jù)，傳輸速率為5 Mb／s；
(2)模擬相關(guān)功能，通過雙向異步RS 422串行接口與其他有效載荷接口通信，發(fā)送載荷的工程參數(shù)并接收控制信息然后執(zhí)行相應(yīng)動作，接口速率為115．2 Kb／s；
(3)衛(wèi)星平臺接收來自有效載荷的圖像數(shù)據(jù)，接口為LVDS，數(shù)據(jù)傳輸速率為5 Mb／s；
(4)模擬載荷單元向衛(wèi)星平臺輸出8路模擬量遙測信號；
(5)模擬相關(guān)載荷輸出6路遙控指令接口，指令接口為集電極開路輸出。
系統(tǒng)采用可編程邏輯器件完成相關(guān)的邏輯以及接口轉(zhuǎn)換，配合USB接口控制芯片完成系統(tǒng)的相關(guān)功能和需求。硬件設(shè)計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，地面檢測設(shè)備主要由USB接口轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA，各種通信接口模塊，以及其他的輔助模塊(包括電源，時鐘和復(fù)位模塊等)組成。