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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總線測試儀中的應(yīng)用方法，同時介紹了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源代碼及仿真時序。關(guān)鍵詞：USB總線 ARINC429總線 FT245AM CPLD MCU
隨著計算機的廣泛就算，與計算機通信的方式也越來越多，對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、鍵盤、游戲桿、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)碼相機、掌上電腦中都有USB的應(yīng)用。
FT245AM是美國FTDI公司生產(chǎn)的一種USB專用芯片。它具有功能強、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，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，可以方便地實現(xiàn)USB主機與外設(shè)MCU、CPLD的接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達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)時鐘恢復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器93C46，以實現(xiàn)USB VID、PID、序列號和設(shè)備說明字符串的存儲。使用FT245AM可大大簡化其外圍電路，使用戶設(shè)備更趨于小型化。
1 FT245AM簡介
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差分數(shù)據(jù)正端；
EEDATA（2腳）：串行存儲器數(shù)據(jù)；
USBDM（8腳）：USB差分數(shù)據(jù)負端；
TEST（5腳）：廠商測試管腳；
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)信號輸入；
RCCLK（31腳）：RC定時器；
TXE（14腳）：發(fā)送FIFO空標志輸出；
RESET（4腳）：芯片復位輸入；
RXF（12腳）：接收FIFO非空標志輸出；
EECS（32腳）：串行存儲器片選；
EEREQ（11腳）：串行存儲器讀取請求；
EESK（1腳）：串行存儲器時鐘；
EEGNT（10腳）：串行存儲器讀取允許；
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接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
當外設(shè)從FT245AM中讀取USB主機數(shù)據(jù)時，如果FT245AM的管腳RXF為高電平，則表明FT245AM沒有接收到USB主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時外圍MCU（CPLD）不能讀取數(shù)據(jù)。而
當MCU（CPLD）檢測到RXF為低電平時，表明FT245AM的接收FIFO中已有USB主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時外圍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主機數(shù)據(jù)的時序圖如圖2所示。
當外設(shè)通過FT245AM寫數(shù)據(jù)到USB主機時，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)。而當外圍MCU（CPLD）檢測到TXE為低電平時，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。圖3所示是外設(shè)通過FT245AM向USB主機發(fā)送數(shù)據(jù)的時序圖。
2 在ARINC429總線測試儀中應(yīng)用
ARINC429總線在航空領(lǐng)域有著廣泛的使用，該總線采用差分數(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，同時其測試設(shè)備也顯得尤為重要。為了方便該總線設(shè)備的測試，擺脫專用測試設(shè)備的不靈活性，急需一種方便快捷的通信方式來實現(xiàn)計算機與該總線設(shè)備的互連，使該總線設(shè)備的測試可以在計算機中自動完成，從而提供測試設(shè)備的靈活性和通用性。因此，提出了基于USB總線的ARINC429總線測試儀。
2.1 基于USB的ARINC429總線測試儀結(jié)構(gòu)
考慮到USB總線為自供電試，最大可驅(qū)動500mA電流，故ARINC429測試儀選取4路接收、2路發(fā)送的結(jié)構(gòu)。當然，如果允許外接電源，還可以實現(xiàn)更多的收發(fā)路數(shù)，但這樣會降低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12Mbps。，考慮到協(xié)議的額外開銷，一路USB總線同時完成2路ARINC429總線的發(fā)送和4路接收。
為了提高ARINC429總線測試儀的實時性，可選用高速MCU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主機可以實時發(fā)送數(shù)據(jù)到ARINC429總線設(shè)備，并實時接收設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，以供主機中的測試軟件進行記錄和檢測，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)。采用純硬件實現(xiàn)方式可使FT245AM的接口延時和整個測試儀通信環(huán)節(jié)的延時達到最小。
EPM7128S可與FT245AM共享工作時鐘，它使用12條I/O與FT245AM相連，分別對應(yīng)于FT245AM的D0～D7、TXE、RXF、RD、WR等。
對EPM7128S的編程可采用VerilogHDL語言，并采用Synplify綜合，最后使用MAXPlus II進行布線和仿真。與FT245AM的接口設(shè)計代碼如下：
//-------------
//產(chǎn)生FT245AM讀信號
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
//---------------------
//計數(shù)器，控制FT245AM讀寫時序
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
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
本文介紹了USB接口芯片F(xiàn)T245AM的原理和在航空ARINC429總線測試儀中的具體應(yīng)用實例方法。筆者將EPM7128與FT245AM的接口邏輯在MAXplus II環(huán)境下進行了仿真，結(jié)果表明：使用該設(shè)計完全可滿足實際要求，因此，使用USB通信接口的航空ARINC429總線測試儀，大大便利了429總線設(shè)備與計算機的通信，有效提高了429總線設(shè)備的檢測效率。
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