USB接口芯片FT245AM的原理_接口电路论文
关键词：usb总线 arinc429总线 ft245am cpld mcu
随着计算机的广泛就算，与计算机通信的方式也越来越多，对通信速度和易用性要求也越来越高，这使得usb通信方式显得越来越突出，应用领域也越来越广泛。因此，在鼠标、键盘、游戏杆、数据采集卡、数码相机、掌上电脑中都有usb的应用。
ft245am是美国ftdi公司生产的一种usb专用芯片。它具有功能强、体积小、传输速度快、符合usb1.1技术规范、易于一微处理器接口等特点，因而倍受用户的青睐。笔者采用ft245am成功地开发了航空arinc429总线测试仪。
ft245am集成了usb1.1通信协议和外设接口，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1mb/s。ft245am内部128字节的接收fifo和384字节的发送fifo大大提高了usb主机与外设的通信质量。另外，ft245am还具备3.3v的ldo调整器、8位频器、usb数据时钟恢复pll、usb数据收发器，且eeprom接口逻辑单元可外接串行存储器93c46，以实现usb vid、pid、序列号和设备说明字符串的存储。使用ft245am可大大简化其外围电路，使用户设备更趋于小型化。
1 ft245am简介
1.1 ft245am内部结构和引脚功能
ft245am芯片的内部结构如图1所示。该芯片采用qfp32封装，其各管脚说明如下：
usbdp（7脚）：usb差分数据正端；
eedata（2脚）：串行存储器数据；
usbdm（8脚）：usb差分数据负端；
test（5脚）：厂商测试管脚；
3v3out（6脚）：3.3v电源输出；
d[7:0](25～18脚)：外设接口数据总线；
xtin（27脚）：晶体振荡器输入；
rd（16脚）：外设读数据信号输入；
xtout（28脚）：晶体振荡器输出；
wr（15脚）：外设写数据信号输入；
rcclk（31脚）：rc定时器；
txe（14脚）：发送fifo空标志输出；
reset（4脚）：芯片复位输入；
rxf（12脚）：接收fifo非空标志输出；
eecs（32脚）：串行存储器片选；
eereq（11脚）：串行存储器读取请求；
eesk（1脚）：串行存储器时钟；
eegnt（10脚）：串行存储器读取允许；
vcc，avcc（3、13、26、30脚）：分别为芯片电源和电路模拟电源；
gnd，agnd（9、19、29脚）：芯片地和模拟地。
1.2 ft246am与外设的数据传输方法
ft245am具有外设接口控制单元，可以方便地与mcu、cpld接口来实现数据交换。
当外设从ft245am中读取usb主机数据时，如果ft245am的管脚rxf为高电平，则表明ft245am没有接收到usb主机发送的数据，此时外围mcu（cpld）不能读取数据。而当mcu（cpld）检测到rxf为低电平时，表明ft245am的接收fifo中已有usb主机发送的数据，此时外围mcu（cpld）便可以通过外设数据总线读取数据。外设通过ft245am读取usb主机数据的时序图如图2所示。
当外设通过ft245am写数据到usb主机时，如果ft245am的管脚txe为高电平，则表示ft245am内部正忙，外围mcu（cpld）不能向ft245am的发送fifo中写数据。而当外围mcu（cpld）检测到txe为低电平时，则表明ft245am的发送fifo空闲，外围mcu（cpld）可以向ft245am中写数据到usb主机。图3所示是外设通过ft245am向usb主机发送数据的时序图。
2 在arinc429总线测试仪中应用
arinc429总线在航空领域有着广泛的使用，该总线采用差分数据传输方式，支持12.5kbps和100kbps两种传输速率。由于arinc429总线设备的应用领域比较特殊，因此需要较高的可靠性，同时其测试设备也显得尤为重要。为了方便该总线设备的测试，摆脱专用测试设备的不灵活性，急需一种方便快捷的通信方式来实现计算机与该总线设备的互连，使该总线设备的测试可以在计算机中自动完成，从而提供测试设备的灵活性和通用性。因此，提出了基于usb总线的arinc429总线测试仪。
2.1 基于usb的arinc429总线测试仪结构
考虑到usb总线为自供电试，最大可驱动500ma电流，故arinc429测试仪选取4路接收、2路发送的结构。当然，如果允许外接电源，还可以实现更多的收发路数，但这样会降低usb总线的方便性。由于arinc429总线的传输速率最大为100kbps，而usb1.1的通信能力可达12mbps。，考虑到协议的额外开销，一路usb总线同时完成2路arinc429总线的发送和4路接收。
为了提高arinc429总线测试仪的实时性，可选用高速mcu控制usb接口芯片ft245am，但mcu没有足够的i/o数，无法满足与arinc429控制芯片连接的i/o管脚，因此，可选用cpldepm7128s来完成ft245am的控制和数据传输。
基于usb的arinc429总线测试仪结构如图4所示。图5所示是ft245am部分的外围电路。
在谝测试仪电路中，epm7128s用于完成arinc429总线控制芯片dei1016与usb控制芯片ft245am的逻辑变换，以使usb主机可以实时发送数据到arinc429总线设备，并实时接收设备返回的数据，以供主机中的测试软件进行记录和检测，从而满足设备故障的诊断和定位之需。
2.2 epm7128s与ft245am的接口实现
epm7128s与ft245am的接口电路主要完成从ft245am的接收fifo中读数据和向ft245am的发送fifo中写数据。采用纯硬件实现方式可使ft245am的接口延时和整个测试仪通信环节的延时达到最小。
epm7128s可与ft245am共享工作时钟，它使用12条i/o与ft245am相连，分别对应于ft245am的d0～d7、txe、rxf、rd、wr等。
对epm7128s的编程可采用veriloghdl语言，并采用synplify综合，最后使用maxplus ii进行布线和仿真。与ft245am的接口设计代码如下：
//-------------
//产生ft245am读信号
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
//---------------------
//计数器，控制ft245am读写时序
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
//---------------------
//产生ft245am写信号
always@(posedge clk or negedge reset)
begin
if(reset= =1'b0)
usb_wr<=1'b0;
else
usb_wr<=(cnt= =2'd1);
end
//---------------------
//读取usb主机数据
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主机写数据
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的数据三态接口
assign usb_data=(cnt[1] = =1'b1)?tx_data:8'hzz;
//----------------------
图5 ft245am外围电路图
3 结束语
本文介绍了usb接口芯片ft245am的原理和在航空arinc429总线测试仪中的具体应用实例方法。笔者将epm7128与ft245am的接口逻辑在maxplus ii环境下进行了仿真，结果表明：使用该设计完全可满足实际要求，因此，使用usb通信接口的航空arinc429总线测试仪，大大便利了429总线设备与计算机的通信，有效提高了429总线设备的检测效率。