[经验]

采用FT245BM和FPGA实现USB接口设计

2019-4-22 07:00:07

1234 FT245BM FPGA 状态机

作者：孙立辉刘院英和志强

一、引言

USB总线因其传输速度快、占用资源少以及真正的即插即用等诸多优点，受到了广大开发者的青睐，已经成为很多计算机设备的一种基本配置。目前被广泛采用的USB设备开发方案主要有以下两种（1）利用USB设备端接口芯片加微控制器结构。如国内用的比较多的Philips公司的PDIUSBD12/ISP1581等。（2）采用USB单片机。采用这两种方案要求开发者彻底理解USB协议的细节，并编写出固件程序。固件的运行要占用微控制器的时间和空间资源，实际通信效率不会很高。也有人用FPGA实现固件的功能，但这种方案开发和调试的难度很大。本人在实际工作中用FPGA外部直接连接一片USB协议芯片FT245BM，实现了FPGA与PC机的USB通信，该方法不用微控制器，减少了元器件的个数，并且占用FPGA资源很少，FPGA仍然可以实现其他逻辑功能，系统设计的灵活性很大。

二、FT245BM简介

FT245BM由FTDI （Future Technology Devices Int. Ltd.）公司推出，该芯片的主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可从主机通过USB串行总线接收数据，并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过并行I/O口将数据转换为USB串行数据格式传回主机。中间的转换工作全部由芯片自动完成，开发者无须考虑固件的设计。该芯片提供了通用的并行I/O口方便与微控制器、FPGA或其他外设接口。在PC机端安装了FTDI公司提供的驱动程序，只需熟悉简单的VB、VC编程，就可很容易地进行上位机软件开发。

关于FT245BM的内部结构及详细地引脚介绍读者可以参考其他相关资料，在此仅对与本设计相关的内容作一个介绍。FT245BM内含两个FIFO数据缓冲区，一个是128字节的接收缓冲区，另一个是384字节的发送缓冲区。它们用作USB数据与并行I/O口数据的交换缓冲区。FIFO实现与外界（微控制器、FPGA或其它器件）的接口，主要通过8根数据线D0~D7、读写控制线RD#和WR#以及FIFO发送缓冲区空标志TXE#和FIFO接收缓冲区非空标志RXF#来完成数据交互。TXE#为低表示当前FIFO发送缓冲区为空，为高表示当前FIFO发送缓冲区满或者正在存储前一个字节，禁止向缓冲区中写数据。RXF#为低表示当前FIFO的接收缓冲区非空。RD#信号由低变高将从FIFO缓冲区中读取数据。当RD#变低时将数据送到数据总线。RXF#为高不能从FIFO读数据。读写时序见图1和图2。

图2 写数据时序

三、FT245BM与FPGA的接口设计

3.1 硬件电路设计

图3是FT245BM的USB与FPGA的接口电路，FPGA选用ALTERA EPF1K50TC-144，其中D0~D7是FT245BM与FPGA交换数据的数据总线，USB_RD#、USB_WR、USB_TXE#、USB_RXF#是相关的控制总线。

图3  FT245BM与FPGA的接口电路

3.2 FPGA收发状态机设计

下面是用Verilog HDL 描述的FPGA收发状态机，为便于读者理解FPGA对FT245BM的读写过程，本文将接收和发送状态机分开给出。当然在实际应用中也可以将接收和发送操作合成一个状态机来实现。

3.2.1 接收状态机
接收状态机主要功能是查询USB_RXF引脚的状态，当检测到USB_RXF变低，即可获知上位机已经将数据写入到FT245BM的缓冲区，然后产生读控制时序，将FT245BM接收缓冲区中的数据读入到FPGA的缓冲区。重复以上步骤直到将一帧数据读完，然后执行相应的帧处理操作。下面是用Verilog HDL描述的接收状态机。

@always (posedge clk ) /*clk为FPGA工作时钟。
if(rst && USB_RXF==0)
begin
   case(Rstate)
      Rstate0:
begin
      USB_RD<=0;    /*产生读信号的下降沿
      Rstate<=Rstate1;
      end
      Rstate1:
begin
RframeBuf[Rpointer]<=USB_DATA; /*读FT245BM芯片FIFO的当前字节
Rstate<=Rstate2;
            end
      Rstate2:
      begin
         if(Rpointer== FrameLen-1) /*如果已经接收到完整的一帧,则转Rstate3,
            begin
            Rstate<=Rstate3;
            Rpointer<=0;
         end
         else          /*一帧未接收完,转Rstate0继续接收
         begin
         Rstate<=Rstate0;
         Rpointer<=Rpointer+1;
         end
         USB_RD<=1;
      end
   Rstate3:       /*处理收到的帧
      begin
         Rstate<=Rstate0;
         /*在此添加处理帧的代码，本文略*/
      end
   end
else
  begin
   Rstate<=Rstate0;
   USB_RD<=1;
   End