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。
3.2 USB驅動程序
USB系統軟件由主機中的軟件和設備同件構成。USB主機中的軟件主要包括USB設備驅動(USBDD)、USB總線驅動(USBD)和USB主控制器驅動(HCD)。
USB設備驅動程序(或客戶驅動程序)處于最頂層,它支持特定設備類的驅動,負責與其對應的USB設備進行通信和讀寫控制,實現各個USB設備特殊的功能應用。連接USB設備的每種類型的功能單元都必須具有客戶驅動程序。客戶驅動程序把USB設備看作是一個可被訪問的端點的集合。USB設備可以被控制并與其功能單元通信。USB設備驅動程序通過I/O請求包(IRP)向USB總線驅動程序發送請求。這些請求包將一個給定的傳輸初始化。這種傳輸可以來自于一個USB目標設備或發送到USB設備。
USB總線驅動(USBD)是在主機控制器驅動和USB設備驅動之間的模塊,它對應USB協議的USBD,在Windows系統中由USBD.SYS模塊提供。它是在某一操作系統上對USB總線和協議提供支持的軟件,獨立于USB設備和USB設備驅動,并對它們進行控制和提供統一編程接口。
USB主控制器驅動程序(HCD)處于最底層,它負責對主機控制器進行抽象和對USB提供低級支持。
3.3 PC端的軟件設計
PC端的軟件設計采用面向對象程序設計,分為核心類(包括Provider,Data,Net)和應用類(包括UI,Call,Record)。其中核心類提供對硬件、操作系統和網絡環境的支持,應用類在核心類的基礎上提供對用戶操作的支持。Provider類定義對USB設備的讀寫操作,提供讀取數據方法(readusb())和寫數據方法(writeusb());Data類包括地址數據(Address)、音頻數據(Audio)和控制數據(Command)的定義,并提供數據的分解方法(Decompose())和組合方法(Compose());Net類提供對網絡的支持,包括網絡協議的選擇和數據的接收與發送。UI類提供對用戶界面的支持,包括窗口、對話框等,實現基本用戶框架與應用入口;Call類提供通話功能;Record類則提供電話錄音功能;根據不同應用要求,可擴展其他應用類。具體結構如圖5所示。
4 結束語
USB靈活的接口和可編程特性可簡化外部硬件的設計,提高系統可靠性。而USB2.O控制器CY7C68013A也廣泛應用于許多數據傳輸領域。FPGA已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。這里所介紹的USB設備就是一個基于FPGA的嵌入式系統,該系統軟硬件都具有模塊化的特性,易于改造成其他應用場合的語音控制系統(DAA除外)。該設計的應用可節省大量的人力、物力。具有較大的推廣意義和使用價值。
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