基于USB2.0的数据记录回放单元设计

论文摘要

USB接口具有高速稳定、支持热插拔、功耗小的优点。其实用性使得USB接口得到了广泛应用。但是USB协议的复杂性使得USB接口的设计具有相当的难度。本文给出的基于EZ-USB FX2LP的高速实时数据记录回放单元的软硬件设计,符合USB2.0工业标准。本设计中USB接口部分属于USB设备类的开发。文章首先对USB2.0协议中,设备类开发所关心的部分做了详细阐述。然后从硬件到软件,详细地介绍了设计过程。其中硬件设计是本设计的重点和难点。硬件设计主要内容包括主要元器件的介绍、USB控制器芯片与FPGA外围电路原理图的设计、高速印刷电路板的设计原理与制作、硬件电路的调试、固件设计、SDR SDRAM控制器与异步FIFO控制器的设计。软件设计包括计算机应用程序的设计。最后给出了系统的整体调试的一个结果。实践证明,此设计稳定可靠,具有良好的移植性,在高速实时数据传输系统中具有广泛的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国外研究动向与计算接口发展状况
• 1.2.1 USB的发展方向
• 1.2.2 USB的竞争对手IEEE1394
• 第二章 系统设计概述
• 2.1 系统设计概述
• 2.1.1 系统应用框图
• 2.1.2 系统设计方案
• 2.1.3 系统原理框图
• 2.1.4 关于USB的弱点
• 2.2 主要研究内容和独立完成的工作
• 第三章 USB2.0 总线规范
• 3.1 体系结构概述
• 3.1.1 USB主机
• 3.1.2 USB设备
• 3.1.2.1 设备构架
• 3.1.2.2 管道
• 3.2 数据流模型
• 3.2.1 总线拓扑结构
• 3.2.2 传输类型
• 3.3 电气特性
• 3.4 机械特性
• 3.5 协议层
• 3.5.1 字节/比特顺序
• 3.5.2 同步字段
• 3.5.3 包字段格式
• 3.5.3.1 包标识字段
• 3.5.3.2 地址字段
• 3.5.3.3 端点字段
• 3.5.3.4 帧号字段
• 3.5.3.5 数据字段
• 3.5.3.6 循环冗余校验
• 3.5.4 包格式
• 3.5.4.1 令牌包
• 3.5.4.2 数据包
• 3.5.4.3 握手包
• 3.5.5 事务处理
• 3.6 USB设备
• 3.6.1 标准USB描述符
• 3.6.2 标准USB设备请求
• 第四章 系统硬件设计
• 4.1 开发环境
• 4.2 电路结构框图
• 4.3 原理图设计
• 4.3.1 层次原理图设计
• 4.3.2 主要功能模块设计及主要芯片功能介绍
• 4.3.2.1 USB设备控制器模块
• 4.3.2.1.1 USB控制器CY7C68013A
• 4.3.2.1.2 12C接口与EEPROM
• 4.3.2.1.3 在线仿真模块
• 4.3.2.1.4 存储器地址映射
• 4.3.2.1.5 复位电路
• 4.3.2.2 FPGA模块
• 4.3.2.2.1 FPGA的配置
• 4.3.2.2.2 配置LVDS接口BANK
• 4.3.2.2.3 FPGA重新下载
• 4.3.2.3 FLASHPROM模块
• 4.3.2.4 SDRAM模块
• 4.3.2.5 JTAG模块
• 4.4 网络表管理
• 4.4.1 Synchronizer
• 4.4.2 Netlist Manager
• 4.5 PCB设计
• 4.5.1 高速PCB设计基本原则
• 4.5.2 PCB布局
• 4.5.3 PCB层叠结构
• 4.5.4 LVDS信号线设计基本原则
• 4.5.4.1 LVDS的工作原理
• 4.5.4.2 LVDS的低噪声低电磁干扰能力
• 4.5.4.3 LVDS的点对点方式
• 4.5.4.4 PCB阻抗传输线分析
• 4.5.4.5 LVDS的PCB设计
• 4.5.4.6 LVDS的阻抗控制
• 4.5.5 Protel 设计规则设置
• 4.5.6 电源、地和敷铜的处理
• 第五章 固件程序设计
• 5.1 开发环境
• 5.2 EZ-USB FX2LP介绍
• 5.2.1 EZ-USB FX2LP结构
• 5.2.2 启动模式
• 5.2.3 存储器
• 5.2.4 端点缓冲区
• 5.3 固件程序设计
• 5.3.1 EZ-USB固件框架
• 5.3.2 描述符dscr.a51
• 5.3.3 GPIF初始化
• 第六章 SDR SDRAM控制器与FIFO设计
• 6.1 开发环境
• 6.2 SDR SDRAM简单介绍
• 6.2.1 SDRAM的特点
• 6.2.2 SRAM、DRAM、SDRAM的区别
• 6.3 MT48LC32M16A2 介绍
• 6.3.1 MT48LC32M16A2 结构
• 6.3.2 MT48LC32M16A2 接口信号
• 6.4 SDR SDRAM的操作与标准总线命令
• 6.4.1 初始化和加载模式寄存器
• 6.4.2 标准SDR SDRAM总线命令
• 6.5 SDR SDRAM控制器的设计
• 6.5.1 SDR SDRAM控制器功能
• 6.5.2 SDR SDRAM控制器的接口信号
• 6.5.3 SDR SDRAM控制器的内部结构
• 6.5.3.1 控制与刷新模块
• 6.5.3.2 命令仲裁与解析模块
• 6.5.3.3 数据通道模块
• 6.6 异步FIFO的设计
• 6.6.1 FIFO的功能
• 6.6.2 异步FIFO的结构
• 6.6.3 异步FIFO控制器的设计
• 第七章 主机应用程序设计
• 7.1 开发环境
• 7.2 对设备驱动程序的访问
• 7.3 打开USB设备
• 7.4 数据传输
• 7.5 创建EZ－LOADER设备驱动程序
• 第八章 系统测试与总结
• 8.1 系统测试
• 8.1.1 USB控制器硬件与固件测试
• 8.1.2 SDR SDRAM控制器仿真结果
• 8.1.3 异步FIFO的仿真结果
• 8.1.4 主机软件与速度测试
• 8.2 设计总结
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 图录
• 表录