存儲測試系統(tǒng)USB接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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存儲測試是指在對被測對象無影響或在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型數(shù)據(jù)采集與存儲測試儀，現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與記憶，然后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測試信息的一種動態(tài)測試技術(shù)。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，存儲測試技術(shù)不斷成熟，已成功應(yīng)用于火炮膛壓測試、彈載全彈道參數(shù)測試、車輛機(jī)械運(yùn)動部件工況參數(shù)測試、石油井下壓力測試、爆炸沖擊波場測試、人體運(yùn)動及生理參數(shù)測試、載人航天測試等諸多領(lǐng)域，在軍工測試領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。
接口電路是測試系統(tǒng)與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/存儲測試系統(tǒng)">存儲測試系統(tǒng)的重要組成部分。文獻(xiàn)表明南京理工大學(xué)和北京理工大學(xué)研究的存儲測試系統(tǒng)主要采用串行接口，而文獻(xiàn)表明中北大學(xué)研究的存儲測試系統(tǒng)串口和并口兼而有之，視實(shí)際使用情況而定。眾所周知，串口使用受波特率的限制，制約了存儲測試系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。并行傳輸是一種效率較高的傳輸方式，利用計(jì)算機(jī)并口的EPP模式可以實(shí)現(xiàn)大于300 KB／s的穩(wěn)定傳輸率，然而現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)已不再配置并口，USB接口成為計(jì)算機(jī)對外數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ǖ?。因此，開發(fā)適于存儲測試系統(tǒng)集成的USB接口成為存儲測試技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
1 USB協(xié)議及集成芯片
USB全稱是通用串行總線(Universal Serial Bus)，目前以USB 2．0規(guī)范應(yīng)用最為普遍。USB 2．0規(guī)范的理想傳輸速率為480 Mb／s(60 MB／s)，足以滿足大多數(shù)外設(shè)的速率要求。USB 2．0是一種復(fù)雜的傳輸協(xié)議，這給USB接口的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來很大難度。文獻(xiàn)的研究表明，在應(yīng)用層對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇集成USB協(xié)議的專用芯片進(jìn)行二次開發(fā)，從而降低了系統(tǒng)開發(fā)難度。通過查閱大量文獻(xiàn)，本文選用FTDI公司的FT245R芯片進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)。
FT245R符合USB 2．0規(guī)范，具有功能強(qiáng)、體積小、傳輸速度快、易于與微處理器接口等特點(diǎn)，非常適合在嵌入存儲測試系統(tǒng)中進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。FT245R可以方便地實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)與外設(shè)MCU，CPLD的接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 MB／s。FT245R內(nèi)部集成了256 B的接收FIFO和128 B的發(fā)送FIFO，大大提高了USB主機(jī)與外設(shè)的通信質(zhì)量。另外，F(xiàn)T245R還具備3．3 V的LDO調(diào)整器、USB數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)PLL及USB數(shù)據(jù)收發(fā)器，且E2PR OM接口邏輯單元可外接串行存儲器，以實(shí)現(xiàn)VID，PID，序列號和設(shè)備描述符的存儲。FT245R大大簡化了外圍電路，使接口設(shè)計(jì)更趨于小型化，符合存儲測試系統(tǒng)微小體積的要求。
2 接口硬件設(shè)計(jì)
USB接口設(shè)計(jì)以單片機(jī)和FT245R為核心器件，原理如圖1所示。由于FT245R將涉及USB協(xié)議的高速信號全部集成在芯片內(nèi)部，從而降低了系統(tǒng)對單片機(jī)性能的要求。本設(shè)計(jì)選用了Microchip公司的中檔單片機(jī)PIC16F877，該單片機(jī)最高工作時(shí)鐘為20 MHz，有5個(gè)并行I／O端口，13個(gè)中斷源，完全滿足同時(shí)對FT245R和存儲測試系統(tǒng)進(jìn)行控制的要求。
圖1中，SRAM是集成于存儲測試系統(tǒng)中的靜態(tài)存儲器，測試過程結(jié)束后，SRAM存滿了測試數(shù)據(jù)。單片機(jī)在USB接口中起到橋梁的作用，其I／O端口中的PORTD以及PORTC的低四位與SRAM中的12 b數(shù)據(jù)位相連，作為數(shù)據(jù)總線。同樣，單片機(jī)的PORTB端口與F245R中的8b數(shù)據(jù)位相連，成為另外一條數(shù)據(jù)總線。SRAM中3個(gè)與存取操作有關(guān)的控制信號分別與單片機(jī)的RA0，RA1和RA2相連，而FT245R的4個(gè)與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的控制信號則與單片機(jī)PORTC端口的高四位相連。在硬件設(shè)計(jì)中，兩條數(shù)據(jù)總線是有區(qū)別的。SRAM到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線是單向的，數(shù)據(jù)只能從存儲器傳向單片機(jī)。單片機(jī)與FT245R間的數(shù)據(jù)總線是雙向的，既能完成測試數(shù)據(jù)的上行傳輸，又能完成計(jì)算機(jī)指令的下行傳輸。
另外，存儲測試系統(tǒng)都是使用電池供電，為了節(jié)省有限的電源，USB接口電路可以采取由計(jì)算機(jī)供電的方法。計(jì)算機(jī)的USB口能夠提供5 V電源，最大負(fù)載電流可達(dá)500 mA，完全可以滿足本文設(shè)計(jì)的USB接口的用電需求。
圖2是USB總線供電原理圖。5 V電源自USB口的1腳輸出，經(jīng)電容C1和鐵氧體濾波后進(jìn)入DC-DC變換器LP2987，經(jīng)電壓變換后輸出3．3 V直流電壓(負(fù)載電流200 mA)，供應(yīng)單片機(jī)、FT245R及其外圍元件。
3 軟件編程
3．1 固件編程
讀取數(shù)據(jù)時(shí)首先要通過計(jì)算機(jī)發(fā)送讀數(shù)指令，該指令經(jīng)USB接口傳輸至FT245R。FT245R經(jīng)內(nèi)部串／并轉(zhuǎn)換，輸出并行數(shù)據(jù)至FIFO控制器，同時(shí)將RXF信號置為低電平。單片機(jī)通過查詢RXF狀態(tài)判斷FT245R是否有數(shù)據(jù)等待讀取，RXF由高變低后，單片機(jī)將讀數(shù)控制信號RD置低。FT245R在檢測到RD信號變低后，迅速將FIFO控制器中的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上。單片機(jī)從總線上讀取數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行判斷，若為瀆數(shù)指令，則單片機(jī)進(jìn)入從測試系統(tǒng)讀數(shù)的子程序。圖3是單片機(jī)從FT245R讀取數(shù)據(jù)的流程圖。
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