探讨嵌入式FPGA在USB通信接口硬件设计中的应用

吴文庆

摘   要：本文主要针对嵌入式FPGA系统的USB通信接口硬件设计进行了探讨，同时，设计出了较为具体的实现方案。具體而言，先是对选择器件时的一些细节实施了分析，随后，针对USB通信模块以及电源模块等实施了电路原理图设计操作，最后，简要分析了设计PCB的过程中应关注的问题，希望可以为提升我国USB通信接口硬件设计整体水平提供一些参考。

关键词：嵌入式FPGA  硬件设计  USB  通信接口  主机接口

中图分类号：TP334.7                              文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0014-02

Abstract： This paper mainly discusses the hardware design of USB communication interface in embedded FPGA system， and designs a more specific implementation scheme. Specifically， some details of the device selection are analyzed first， and then the circuit schematic design operation is implemented for USB communication module and power module. Finally， the problems that should be paid attention to in the process of PCB design are briefly analyzed.Hope to improve the overall level of USB communication interface hardware design to provide some reference.

Key Words： Embedded FPGA; Hardware design; USB; Communication interface; Host interface

和x86结构的CPU平台可以统一应用的USB设计具有一些差异，对于嵌入式FPGA系统来讲，其USB接口一般存在特殊的通信设计要求，通常会在一片FPGA上开展内部多个功能模块的集成操作，创建起一个支持编程的SOPC系统，设计的方式具备较高的便捷性，升级和剪裁也更为简单，较为符合各类USB接口相应需求。

1  接口芯片择选

通常来讲，符合嵌入式系统要求的FPGA均满足相应需求，以A公司为例，该公司设计的FPGA系列产品中，以某系列作为分割线，后期生产的FPGA系列均满足NiosⅡ均满足嵌入式CPU要求，换而言之，均能够发挥系统主控CPU作用。本文选择的为A公司的STRATIXⅢ系列的EP3SE110F780，此芯片具有较为显著的资源丰富性特点，不仅和USB接口芯片需求相符，且可以良好满足相关信号处理的各种需求[1]。

2  硬件总架构设计

FPGA系统输入嵌入式，但其仅作为主控CPU的一种，也需要其他的器件作为辅助，包括Nor Flash等，以确保系统的顺利运转。由于FPGA系统通信接口硬件构成主要包括电源、FPGA模块等，总架构设计如图1。

通电操作完成以后，系统先是基于配置芯片内开展NiosⅡ软核加载操作，随后，基于Nor Flash内，开展uC/OS-Ⅱ系统加载操作，置于SDRAM内，开展具体的运行操作。上述操作完成以后，针对系统外设，包括RS232等程序开展初始化操作，结束以后，保持待机状态。倘若存在USB外设，和主机端进行连接操作，MAX3412会经由中断通知的方式，将相应信息传达给FPGA，FPGA在获知主机中断以后，基于MAX3421针对外设开展配置、枚举，实现对外设的分辨。依照系统要求开展后期各环节相关操作[2]。

倘若存在外设端，和主设备进行连接操作，相应设备基于USB接口实现对外设的电能供给，Cy7c68013经由EEPROM针对Slavefifo配置文件进行加载操作，实现对内部寄存器的初始化，如此一来，主设备才可以实现对Cy7c68013的有效辨别。后期相关数据，经由针对Cy7c68013内部开展的FIFO实现。

3  主机接口及外设接口的设计

3.1 主机接口

根据现下应用的协议开展USB硬件接口设计操作，可直接减少开发一些重复性的接口资源。基于嵌入式系统层面而言，接口芯片的主要作用为确保主机的各种功能可以正常发挥。实际开展USB设计操作的过程中，硬件线路的接口一般为SPI，原因是SPI接口的芯片引脚数量较少，且和数字逻辑以及模拟电路对系统的要求较为相符。USB实际开展连接或者断开操作的过程中，系统均设置为支持编程的调控模式。同时，USB底层协议，支持通过接口引擎的形式开展相应的处理操作。MAX3421芯片是M公司近期出品的一款USB接口芯片，利用高频SPITM接口访问寄存器组的方式，完成对接口芯片的控制。基于此类芯片开展USB主机工作的过程中，能够促使很多的USB外设和DSP或者ASIC进行有效连接[3]。

3.2 外设接口