基于USB通信技術的自動測試系統設計 - 全文

　　1 引言

　　自動測試系統ATS(Automatic Test System)集成測試所需的全部激勵與測量設備，計算機高效完成各種模式的激勵及響應信號的采集、存儲與分析，對被測單元進行自動狀態監測、性能測試和故障診斷。總線是ATS的重要組成部分，是計算機與測試硬件內部及外設傳遞信息的公共通路，其性能參數直接影響ATS整體的功能實現和性能指標。

　　通用串行總線USB(Universal Serial Bus)主要用于PC與外圍USB設備互聯。其物理連接是一種分層的菊花鏈結構，最多支持5 Hub層及127個外設。該結構獨立性強。抗干擾性強、傳輸速率高、占用資源有限、使用靈活、支持熱插拔，因此USB技術逐漸成為現代ATS數據傳輸的發展趨勢。

　　這里通過Cypress公司的USB單片機CY7C68013A的PE和GPIF接口實現計算機與測試控制器件FPGA和緩沖FIFO的高速數據通信，完成ATS測試指令信號和數據的下載，自檢和反饋數據的上傳功能，實現測試技術的智能化。重點從USB硬件和固件代碼設計闡述在測試系統數據傳輸過程中 USB技術的應用。

　　2 USB接口通信工作流程

　　USB具有靈活的1二作流程，如圖1所示。

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　　圖1中，USB設備的工作流程從設備連接→上電→復位→分配地址→配置操作→執行固件代碼，6大工作狀態，這些狀態在USB主機的控制下實現狀態間的轉換和總線的訪問。USB設備隨時根據總線活動情況判斷是否進入或退出掛起狀態，節省USB系統的功耗。

　　從圖1分析可知，USB通信包括USB系統應用軟件、設備及總線驅動程序和USB固件3層。應用軟件設計由2部分組成：動態鏈接庫和應用程序。動態鏈接庫負責與內核態的USB功能驅動程序通信并接收應用程序對USB設備I／O的各種操作請求，應用程序調用Win32 APl函數DeviceToCon-trol向設備發出命令；USB設備驅動程序通過總線驅動程序發出輸入輸出請求(IRP)，實現對USB設備信息的發送和接收；總線驅動程序負責總線檢測、電源管理和USB事務處理，固件程序實現FX2器件的初始化設置，設備請求處理，電源管理和外圍通信功能，是整個通信架構的核心。在測試系統中，通過固件代碼建立數據物理通道并實現通信協議，用戶可通過測試軟件對USB設備進行功能控制，實現數據的有效通信和測試任務高效、可靠地完成。

　　3 測試系統USB硬件電路原理

　　CY7C68013A(簡稱68013A)集成USB2．0收發器、串行接口引擎(SIE)、增強8051內核和可編程外圍接口，提供一個高效的USB2．0解決方案，它可配置為3種數據通信模式：端口、GPIF和Slave FIFO模式。本設計利用GPIF方式快速、靈活等特點，有效地解決了端口方式下USB2．0設備數據傳輸速度瓶頸，大大提高了數據的傳輸速率。FX2專門為GPIF提供外圍接口信號，如8／16位數據線、CTL、Ready信號及地址線。從通用性、低功耗等方面考慮，將68013A的PA，PB，PD和 PE 4個I／O端口，6個CTL[5：0]和6個RDY[5：0]與FIFO或FPGA相連實現數據通信和握手、控制等功能。

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　　圖2為GPIF方式硬件連接框圖，其中IFCLK是雙向時鐘信號，當配置為輸出時，IFCLK被FX2驅動為30 MHz／48MHz：當配置為輸入時，時鐘范圍為5～48 MHz；GPIFADR(9)信號為外部設備提供地址線，在總線上地址值是自增的；FD[15：0]是USB主機通過FX2和外部設備進行數據傳輸的數據線，可配置成8位或16位；CTL[5：0]為外設控制信號，如讀寫選通、使能等；RDY[5：0]為外設狀態檢測信號，如外部FIFO的空、滿等。

　　整個系統的工作原理：主機通過應用軟件設置將相應的測試指令和數據經USB總線下載到68013A內部FIFO中，按照同件代碼配置相關寄存器、端口和中斷，實現與FIFO和FPGA的數據通信。外部使用兩片FIFO匹配數據傳輸速率，由外部控制信號RD(或RD2)/WR(或WR2)來控制數據的讀／寫。為防止數據的空讀或寫溢出，用標志端EF和HF標明FIFO狀態。這種內外FIFO雙緩沖設計為大容量、高速數據傳輸提供更大的緩沖空間和時序匹配。 FPGA從FIFO1接收數據的同時，按照從PE口收到的Status[7：0]指令，判斷所接收數據的類型和職能，將數據傳輸到相應的測試調理和輸出電路，執行相應操作，判斷被測試對象的工作情況；如從PE端口收到的是自檢命令，則將測試數據回采，判斷系統自身工作情況。被測試對象反饋的信號和測試采集的數據，自檢數據經FPGA數據融合處理，從FIFO2傳到68013A的GPIF接收端口，所有CY7C68013A的內部數據和端口操作全部由固件程序描述。

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　　4 固件程序設計

　　68013A固件負責處理主機各種USB設備請求，控制68013A與外圍電路FPGA進行數據傳輸，協調主機和FPGA 之間的通信。設計利用Cypress公司生產的EZ-USB固件程序框架，其中包括初始化、處理USB設備請求、中斷和USB電源管理等任務，固件的編譯在KeilμVision2的集成開發環境中進行。68013A固件設計流程如圖3所示。該設計主要包括5個部分：fw．c(框架源文件)、 periph．c(用戶任務調度函數文件)、dscr．a51(描述符表)、USBJmpTb．OBJ(中斷跳轉表)、Ezusb．lib(EZ_USB 庫文件)。用戶僅需對dscr．a51和pe-riph．c修改文件中部分代碼即可完成USB設備的各種功能。periph．c文件通過調用任務分配、標準設備請求和中斷處理等函數來處理USB事件。其中主要修改TD_Init()和TD_Poll()兩個任務分配函數。TD_Init()函數用于負責初始化端點狀態變量，配置外圍I／O接口及設置端口初始值。TD_Poll()主要是初始化功能寄存器，并對設備進行重新列舉，完成主機對設備的配置任務；執行過程中響應中斷，對中斷作相應處理并控制外圍電路。

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基于USB通信技術的自動測試系統設計

　　5 GPIF waveforms設計及測試分析

　　利用GPIF Designer編輯GPlF waveform波形文件，然后轉換生成GPIF．c文件，作為固件的一部分，加入keil c工程進行編譯。每個GPIF波形描述符都由7段組成：state0～state6(簡稱S0～S6)。執行完S0-S6的動作后，都進入idle狀態 (S7)，以準備啟動下一次GPIF動作。每個state可定義為非決定態(NDP)或決定態(DP)。當state為NDP時只是簡單地延時；為DP 時，它將根據RDY[0：5]上的輸入信號狀態及內部FIFO的可編程標志和內部自定義的Ready標志，將這些信號進行邏輯處理，并根據邏輯結果在選擇即將執行的state。每個state執行時可指定CTL[0：5]輸出狀態。從而控制外圍時序電路。圖4和圖5分別是GPIF波形編輯文件和測試結果。圖5中下載了開關量，模擬量和數字量信號，各1路，4C6600為START發送握手標志。

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