基于FPGA的USB2.0虚拟逻辑分析仪的设计

USB2.0接口设计

本设计选用符合USB2.0规范的CP2102芯片构建系统与PC的通信接口。

CP2102是USB-UART桥接芯片。该电路内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线，支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。其功能强大，采用MLP-28封装，尺寸仅为5mm×5mm，占用空间非常小，非常适合大数据量处理与传输电路系统的设计与应用。

实际应用中，系统只需使用CP2102基本的输入/输出数据线与复位信号线。其接口原理如图2所示。

系统启动时， 单片机RB1端口发送一低电平至CP2102复位端，芯片复位，然后保持复位端高电平，CP2102正常工作。



图2 USB2.0接口电路图

由于CP2102内部的透明设计，数据通信时，可以不必构建CP2102与单片机的握手信号；CP2102数据线直接与单片机1＃USART模块的接收移位寄存器(RSR)和发送移位寄存器(TSR)相连。CP2102数据线上一旦出现待发送的数据，该数据会自动移入单片机接收移位寄存器；同样，单片机发送数据时，发送移位寄存器中的数据直接移至CP2102的数据线(即USB接口数据线)上。

程序设计中，系统不断检测单片机接收中断标志位RCIF1，一旦USART异步接收器的移位寄存器RSR接收到CP2102数据线上发送的停止位，RSR寄存器就将已接收的8位数据装载到接收寄存器(RCREG1)中。系统发送数据时，前次装入发送缓冲器(TXREG1)的数据的停止位P发送出去后，TXREG1缓冲器中的数据(软件装入)就被载入TSR寄存器中，TXREG1缓冲器就为空状态，同时发送中断标志位TXIF被置1。TSR将待发送数据逐位移至CP2102数据线，完成系统与CP2102 USB模块的数据传输。

软件设计

FPGA功能实现程序运用硬件描述语言Verilog HDL编写；PIC单片机程序用C语言编写，并采用第三方C语言工具HITECH公司PICC—18编译器编译实现。PC显示和操作部分运用图形化语言LabView7.1编写，其前面板如图3所示。



图3 系统面板

实验操作

采用LabView7.1开发的虚拟操作平台，可以方便实现仪器的操作控制。实验开始前，首先选择通信端口，建立PC与本系统的通信；设置触发电平，设置采样频率(外部、内部或其他)、触发方式、触发字、屏蔽字并点击“发送触发命令”按钮，完成相关设置，开启数据采集和触发进程。点击“读取采样数据”可读出采集到的数据，并在PC上显示。

结语

在综合考虑应用需要和成本的前提下，本设计采用4个高速采样通道，最高可达75MHz采样率，存储深度达512KB，最多可采集220个测试点。触发电平由10位串行数模转换器TLC5615产生，电平误差小于5mV。高速USB2.0通信接口配合LabView7.1开发的虚拟操作平台，可实现数据在PC上的实时显示。本设计的成本还不到市场上同性能产品的1/2，更适用于教学等对产品数量要求较多，性能要求中等的单位采用。