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USB接口芯片F(xiàn)T245AM的原理
摘要：介紹了一種USB總線接口芯片F(xiàn)T245AM及其在航空ARINC429總線測(cè)試儀中的應(yīng)用方法，同時(shí)介紹了FT245AM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳說明以及與微處理器的接口電路，給出了航空ARINC429總線測(cè)試儀的總體框圖、部分原理和接口邏輯的Verilog HDL源代碼及仿真時(shí)序。關(guān)鍵詞：USB總線 ARINC429總線 FT245AM CPLD MCU
隨著計(jì)算機(jī)的廣泛就算，與計(jì)算機(jī)通信的方式也越來越多，對(duì)通信速度和易用性要求也越來越高，這使得USB通信方式顯得越來越突出，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。因此，在鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦中都有USB的應(yīng)用。
FT245AM是美國(guó)FTDI公司生產(chǎn)的一種USB專用芯片。它具有功能強(qiáng)、體積小、傳輸速度快、符合USB1.1技術(shù)規(guī)范、易于一微處理器接口等特點(diǎn)，因而倍受用戶的青睞。筆者采用FT245AM成功地開發(fā)了航空ARINC429總線測(cè)試儀。
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FT245AM集成了USB1.1通信協(xié)議和外設(shè)接口，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)1MB/s。FT245AM內(nèi)部128字節(jié)的接收FIFO和384字節(jié)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)T245AM還具備3.3V的LDO調(diào)整器、8位頻器、USB數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)PLL、USB數(shù)據(jù)收發(fā)器，且EEPROM接口邏輯單元可外接串行存儲(chǔ)器93C46，以實(shí)現(xiàn)USB VID、PID、序列號(hào)和設(shè)備說明字符串的存儲(chǔ)。使用FT245AM可大大簡(jiǎn)化其外圍電路，使用戶設(shè)備更趨于小型化。
1 FT245AM簡(jiǎn)介
1.1 FT245AM內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能
FT245AM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片采用QFP32封裝，其各管腳說明如下：
USBDP（7腳）：USB差分?jǐn)?shù)據(jù)正端；
EEDATA（2腳）：串行存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)；
USBDM（8腳）：USB差分?jǐn)?shù)據(jù)負(fù)端；
TEST（5腳）：廠商測(cè)試管腳；
3V3OUT（6腳）：3.3V電源輸出；
D[7:0](25～18腳)：外設(shè)接口數(shù)據(jù)總線；
XTIN（27腳）：晶體振蕩器輸入；
RD（16腳）：外設(shè)讀數(shù)據(jù)信號(hào)輸入；
XTOUT（28腳）：晶體振蕩器輸出；
WR（15腳）：外設(shè)寫數(shù)據(jù)信號(hào)輸入；
RCCLK（31腳）：RC定時(shí)器；
TXE（14腳）：發(fā)送FIFO空標(biāo)志輸出；
RESET（4腳）：芯片復(fù)位輸入；
RXF（12腳）：接收FIFO非空標(biāo)志輸出；
EECS（32腳）：串行存儲(chǔ)器片選；
EEREQ（11腳）：串行存儲(chǔ)器讀取請(qǐng)求；
EESK（1腳）：串行存儲(chǔ)器時(shí)鐘；
EEGNT（10腳）：串行存儲(chǔ)器讀取允許；
VCC，AVCC（3、13、26、30腳）：分別為芯片電源和電路模擬電源；
GND，AGND（9、19、29腳）：芯片地和模擬地。
1.2 FT246AM與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸方法
FT245AM具有外設(shè)接口控制單元，可以方便地與MCU、CPLD接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
當(dāng)外設(shè)從FT245AM中讀取USB主機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，如果FT245AM的管腳RXF為高電平，則表明FT245AM沒有接收到USB主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時(shí)外圍MCU（CPLD）不能讀取數(shù)據(jù)。而
當(dāng)MCU（CPLD）檢測(cè)到RXF為低電平時(shí)，表明FT245AM的接收FIFO中已有USB主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時(shí)外圍MCU（CPLD）便可以通過外設(shè)數(shù)據(jù)總線讀取數(shù)據(jù)。外設(shè)通過FT245AM讀取USB主機(jī)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖2所示。
當(dāng)外設(shè)通過FT245AM寫數(shù)據(jù)到USB主機(jī)時(shí)，如果FT245AM的管腳TXE為高電平，則表示FT245AM內(nèi)部正忙，外圍MCU（CPLD）不能向FT245AM的發(fā)送FIFO中寫數(shù)據(jù)。而當(dāng)外圍MCU（CPLD）檢測(cè)到TXE為低電平時(shí)，則表明FT245AM的發(fā)送FIFO空閑，外圍MCU（CPLD）可以向FT245AM中寫數(shù)據(jù)到USB主機(jī)。圖3所示是外設(shè)通過FT245AM向USB主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。
2 在ARINC429總線測(cè)試儀中應(yīng)用
ARINC429總線在航空領(lǐng)域有著廣泛的使用，該總線采用差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式，支持12.5kbps和100kbps兩種傳輸速率。由于ARINC429總線設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域比較特殊，因此需要較高的可靠性，同時(shí)其測(cè)試設(shè)備也顯得尤為重要。為了方便該總線設(shè)備的測(cè)試，擺脫專用測(cè)試設(shè)備的不靈活性，急需一種方便快捷的通信方式來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與該總線設(shè)備的互連，使該總線設(shè)備的測(cè)試可以在計(jì)算機(jī)中自動(dòng)完成，從而提供測(cè)試設(shè)備的靈活性和通用性。因此，提出了基于USB總線的ARINC429總線測(cè)試儀。
2.1 基于USB的ARINC429總線測(cè)試儀結(jié)構(gòu)
考慮到USB總線為自供電試，最大可驅(qū)動(dòng)500mA電流，故ARINC429測(cè)試儀選取4路接收、2路發(fā)送的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，如果允許外接電源，還可以實(shí)現(xiàn)更多的收發(fā)路數(shù)，但這樣會(huì)降低USB總線的方便性。由于ARINC429總線的傳輸速率最大為100kbps，而USB1.1的通信能力可達(dá)12Mbps。，考慮到協(xié)議的額外開銷，一路USB總線同時(shí)完成2路ARINC429總線的發(fā)送和4路接收。
為了提高ARINC429總線測(cè)試儀的實(shí)時(shí)性，可選用高速M(fèi)CU控制USB接口芯片F(xiàn)T245AM，但MCU沒有足夠的I/O數(shù)，無法滿足與ARINC429控制芯片連接的I/O管腳，因此，可選用CPLDEPM7128S來完成FT245AM的控制和數(shù)據(jù)傳輸。
基于USB的ARINC429總線測(cè)試儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5所示是FT245AM部分的外圍電路。
在諞測(cè)試儀電路中，EPM7128S用于完成ARINC429總線控制芯片DEI1016與USB控制芯片F(xiàn)T245AM的邏輯變換，以使USB主機(jī)可以實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到ARINC429總線設(shè)備，并實(shí)時(shí)接收設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，以供主機(jī)中的測(cè)試軟件進(jìn)行記錄和檢測(cè)，從而滿足設(shè)備故障的診斷和定位之需。
2.2 EPM7128S與FT245AM的接口實(shí)現(xiàn)
EPM7128S與FT245AM的接口電路主要完成從FT245AM的接收FIFO中讀數(shù)據(jù)和向FT245AM的發(fā)送FIFO中寫數(shù)據(jù)。采用純硬件實(shí)現(xiàn)方式可使FT245AM的接口延時(shí)和整個(gè)測(cè)試儀通信環(huán)節(jié)的延時(shí)達(dá)到最小。
EPM7128S可與FT245AM共享工作時(shí)鐘，它使用12條I/O與FT245AM相連，分別對(duì)應(yīng)于FT245AM的D0～D7、TXE、RXF、RD、WR等。
對(duì)EPM7128S的編程可采用VerilogHDL語(yǔ)言，并采用Synplify綜合，最后使用MAXPlus II進(jìn)行布線和仿真。與FT245AM的接口設(shè)計(jì)代碼如下：
//-------------
//產(chǎn)生FT245AM讀信號(hào)
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset = =1'b0)
usb_rd<=1'b1；
else if(usb_rxf= =1'b1)
usb_rd<=1'b1;
else if(usb_rd= =1'b0)
usb_rd<=1'b1;
else if((usb_rxf = = 1'b0)&&(usb_rden= =1'b1)&&（cnt= =2'd0）)
usb_rd<=～usb_rd;
end
//---------------------
//計(jì)數(shù)器，控制FT245AM讀寫時(shí)序
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset = =1'b0)
cnt<=2'd0;
else if(cnt !=2'd0)
cnt<=cnt+1'b1;
else if((usb_txe = =1'b0)&&(data_valid = =1'b1)&&(usb_rden= =1'b0))
ent<=cnt+1'b1;
end
//---------------------
//產(chǎn)生FT245AM寫信號(hào)
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset= =1'b0)
usb_wr<=1'b0;
else
usb_wr<=(cnt= =2'd1);
end
//---------------------
//讀取USB主機(jī)數(shù)據(jù)
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset= =1'b0)
rx_data<=8'b00;
else if(usb_rd = = 1'b0)
rxdata<=usb_data;
end
//---------------------
//向USB主機(jī)寫數(shù)據(jù)
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset = =1'b0)
tx_data<=8'h00;
else if(cnt[0] = =1'b1)tx_data<=data_429;
end
//---------------------
//FT245Amgn EPM7128S的數(shù)據(jù)三態(tài)接口
assign usb_data=(cnt[1] = =1'b1)?tx_data:8'hzz;
//----------------------
圖5 FT245AM外圍電路圖
3 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了USB接口芯片F(xiàn)T245AM的原理和在航空ARINC429總線測(cè)試儀中的具體應(yīng)用實(shí)例方法。筆者將EPM7128與FT245AM的接口邏輯在MAXplus II環(huán)境下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：使用該設(shè)計(jì)完全可滿足實(shí)際要求，因此，使用USB通信接口的航空ARINC429總線測(cè)試儀，大大便利了429總線設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信，有效提高了429總線設(shè)備的檢測(cè)效率。
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