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存储测试系统USB接口的设计与实现

发布时间:2020-07-21 18:50:14 阅读: 来源:相纸厂家

0 引言存储测试是指在对被测对象无影响或在允许范围的条件下,在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪,现场实时完成信息的快速采集与记忆,然后回收记录仪,由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术。经过近三十年的发展,存储测试技术不断成熟,已成功应用于火炮膛压测试、弹载全弹道参数测试、车辆机械运动部件工况参数测试、石油井下压力测试、爆炸冲击波场测试、人体运动及生理参数测试、载人航天测试等诸多领域,在军工测试领域和国民经济建设中发挥着重要作用。接口电路是测试系统与外部计算机进行数据传输的通道,是存储测试系统的重要组成部分。文献表明南京理工大学和北京理工大学研究的存储测试系统主要采用串行接口,而文献表明中北大学研究的存储测试系统串口和并口兼而有之,视实际使用情况而定。众所周知,串口使用受波特率的限制,制约了存储测试系统与计算机数据传输的效率。并行传输是一种效率较高的传输方式,利用计算机并口的EPP模式可以实现大于300 KB/s的稳定传输率,然而现在大多数计算机已不再配置并口,USB接口成为计算机对外数据传输的主要通道。因此,开发适于存储测试系统集成的USB接口成为存储测试技术发展的一项重要内容。 1 USB协议及集成芯片USB全称是通用串行总线(Universal Serial Bus),目前以USB 2.0规范应用最为普遍。USB 2.0规范的理想传输速率为480 Mb/s(60 MB/s),足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0是一种复杂的传输协议,这给USB接口的设计和开发带来很大难度。文献的研究表明,在应用层对数据采集系统进行USB接口设计时,可以选择集成USB协议的专用芯片进行二次开发,从而降低了系统开发难度。通过查阅大量文献,本文选用FTDI公司的FT245R芯片进行USB接口设计。FT245R符合USB 2.0规范,具有功能强、体积小、传输速度快、易于与微处理器接口等特点,非常适合在嵌入存储测试系统中进行接口设计。FT245R可以方便地实现USB主机与外设MCU,CPLD的接口,其数据传输速率可达1 MB/s。FT245R内部集成了256 B的接收FIFO和128 B的发送FIFO,大大提高了USB主机与外设的通信质量。另外,FT245R还具备3.3 V的LDO调整器、USB数据时钟恢复PLL及USB数据收发器,且E2PR OM接口逻辑单元可外接串行存储器,以实现VID,PID,序列号和设备描述符的存储。FT245R大大简化了外围电路,使接口设计更趋于小型化,符合存储测试系统微小体积的要求。

2 接口硬件设计USB接口设计以单片机和FT245R为核心器件,原理如图1所示。由于FT245R将涉及USB协议的高速信号全部集成在芯片内部,从而降低了系统对单片机性能的要求。本设计选用了Microchip公司的中档单片机PIC16F877,该单片机最高工作时钟为20 MHz,有5个并行I/O端口,13个中断源,完全满足同时对FT245R和存储测试系统进行控制的要求。图1中,SRAM是集成于存储测试系统中的静态存储器,测试过程结束后,SRAM存满了测试数据。单片机在USB接口中起到桥梁的作用,其I/O端口中的PORTD以及PORTC的低四位与SRAM中的12 b数据位相连,作为数据总线。同样,单片机的PORTB端口与F245R中的8b数据位相连,成为另外一条数据总线。SRAM中3个与存取操作有关的控制信号分别与单片机的RA0,RA1和RA2相连,而FT245R的4个与数据传输有关的控制信号则与单片机PORTC端口的高四位相连。在硬件设计中,两条数据总线是有区别的。SRAM到单片机的数据总线是单向的,数据只能从存储器传向单片机。单片机与FT245R间的数据总线是双向的,既能完成测试数据的上行传输,又能完成计算机指令的下行传输。另外,存储测试系统都是使用电池供电,为了节省有限的电源,USB接口电路可以采取由计算机供电的方法。计算机的USB口能够提供5 V电源,最大负载电流可达500 mA,完全可以满足本文设计的USB接口的用电需求。图2是USB总线供电原理图。5 V电源自USB口的1脚输出,经电容C1和铁氧体滤波后进入DC-DC变换器LP2987,经电压变换后输出3.3 V直流电压(负载电流200 mA),供应单片机、FT245R及其外围元件。

3 软件编程3.1 固件编程读取数据时首先要通过计算机发送读数指令,该指令经USB接口传输至FT245R。FT245R经内部串/并转换,输出并行数据至FIFO控制器,同时将RXF信号置为低电平。单片机通过查询RXF状态判断FT245R是否有数据等待读取,RXF由高变低后,单片机将读数控制信号RD置低。FT245R在检测到RD信号变低后,迅速将FIFO控制器中的数据放在数据总线上。单片机从总线上读取数据后,首先进行判断,若为渎数指令,则单片机进入从测试系统读数的子程序。图3是单片机从FT245R读取数据的流程图。

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