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基于USB3.0的高速数据传输系统的研究与设计

陈松  
【摘要】:数据传输系统是很多电子系统的重要组成部分,被广泛应用在数据采集、工业控制、测试等领域。国内外都在研发各式各样的数据传输系统,目前的高速数据传输一般多是采用PCI接口或者USB2.0接口。PCI接口在易用性上不如USB方便,但是USB2.0受限于480Mbps的带宽,不能实现超高速数据传输。USB3.0的传输速率达到了5Gbps,能有效解决USB2.0在传输带宽上不足的缺陷。基于USB3.0的高速数据传输系统将USB的易用性和对传输吞吐率的高要求很好的结合在一起,研究一个这样的系统具有重要的现实意义。本论文提出了一个基于FPGA和USB3.0的数据传输系统的设计方案并实现,主要包含了以下几个方面:1.选择了市面上较常见的CYUSB3014作为本课题的USB3.0接口芯片。基于CYUSB3014芯片和FPGA技术,对高速数据传输系统的总体框架进行了设计,在总体框架中,明确了硬件、FPGA逻辑、软件的设计思路,并提出了测试方法。2.对系统硬件总体设计进行了介绍,对系统各模块的电路原理图设计进行了详细的说明。设计了高速数据采集系统的PCB板,解决了高速PCB设计中的电磁兼容性不好,信号不完整、电源纹波大这几个方面的问题。3.在FPGA逻辑设计中采用了分层次设计,将整个逻辑设计分为数据采集部分和数据传输部分,工作在不同时钟域,对各时钟域之间的交互进行了跨时钟域的处理;设计了接收、发送模块负责自定义包的解析、存储、接收、封装以及相关调度;采用了双缓存进行乒乓操作,使得数据能不间断连续传输。4.针对CYUSB3014芯片Slave FIFO接口的特点,首次提出了相互循环的3状态收发状态机。该设计合理利用了传统状态机设计单读或者单写之后必须插入的等待周期,可最大限度的利用Slave FIFO接口的带宽。5.根据本系统的使用模式,移植了CYPRESS公司在CYUSB3014开发套件中所提供的固件程序和驱动程序;基于VC++6.0开发平台,设计了应用程序界面,开发了针对安全芯片数据采集和测试的应用程序。最后对系统的软、硬件进行了调试,将系统采集数据和逻辑分析仪采集的数据进行了对比,并对采集速度进行了计算,结果表明,系统符合设计要求。


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