基于FPGA+USB3.0接口的高速数据传输系统设计

1 引言
高速数据传输系统在通信系统、测试仪器等电子系统中有着广泛应用，人们对数据传输的处理速度、可靠性及实时性的要求越来越高。

高速稳定可靠的数据传输技术，在高速数据采集系统中扮演着重要的角色，随着数据传输速度越来越快，对数据的抗干扰性的要求也越来越高。随着以Gbyte为单位的大容量数据传输要求的出现，传统的USB2.0数据传输标准，例如RS-422，RS485，SCSI和PECL等传输标准己无法满足设计高速数据采集系统的设计要求，而USB3.0技术的出现无疑解决了上述窘困。

因此，本设计选用了USB3.0芯片CYUSB3014作为USB3.0控制芯片，不仅提高了数据传输的速率还能保证数据传输的准确性与稳定性。

2 系统硬件设计
2.1 USB3.0高速传输模块
本设计采用的赛普拉斯EZ-USB FX3 CYUSB3014是新一代的USB 3.0外设控制器，其数据传输速率可达320MBps，具有高度集成的灵活特性，满足本设计的高速数据传输要求。其USB3.0模块功能框图如下图1所示。

图 1 USB3.0模块功能框图

本设计中，将USB3.0模块作为从器件，从器件FIFO接口如图2所示。该接口允许外部处理器直接访问多达4个EZ-USB FX3内部缓冲区。USB3.0的控制交由FPGA，数据输出到PC机进行接收。

图 2 USB3.0从器件FIFO接口

2.2 FPGA主控模块
本设计的主控模块采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA，型号为XC6SLX9-2FTG256C，256个引脚的FBGA封装。开发板配置两路标准的AX扩展口，一共有34*2=68个IO口，用于外接其他模块。开发板实物图如下图3所示。

图 3 FPGA开发板实物图

将USB3.0模块的控制及数据引脚，使用杜邦线与FPGA的扩展口相连，通过对FPGA进行Verilog程序配置，来控制USB3.0的工作。实物连接如下图4所示。

图 4 FPGA+USB3.0模块实物连接图

3 系统程序设计
3.1 USB3.0模块程序设计
本设计以FPGA为主控模块，通过Verilog程序配置USB3.0模块的工作模式。设计中将厂商提供的固件写入到该模块，将其配置为异步、32位并行高速读写方式。在下位机采用异步从器件FIFO写入模式，其时序图如下图5所示。

图 5 异步从器件FIFO写入模式

对USB3.0模块进行Verilog程序设计，其核心关键代码如下。USB3.0模块接口程序如图6所示。

图 6 USB3.0模块接口程序

USB3.0模块写入数据程序如下图7所示。

图 7 USB3.0模块写入数据程序

通过理解USB3.0相关手册，完成程序设计后，综合该模块，得到顶层RTL原理图，如下图8所示。

图 8 USB3.0综合顶层模块原理图

3.2 程序仿真验证
设计好上述程序后，继续编写仿真激励文件，对该模块进行仿真测试。测试核心代码如下图9所示。

图 9 USB3.0仿真测试源代码

仿真验证结果如下图10所示，可见输入数据正确控制，写入到该模块的FIFO中。

图 10 USB3.0仿真验证结果

3.3 系统实物测试
完成对程序的仿真验证后，将USB3.0的数据输出端口连接到PC机，使用接收软件进行数据接收。软件运行测试过程如下图11所示，首先与USB3.0建立连接，然后再启动数据接收。

图 11 上位机数据接收测试

4 总结
本设计的传输系统有很多优点，通过USB3.0接口的超高速传输特性，可有效地解决高速数据采集中的数据传输和存储问题，测量结果误差小，可信度高，有利于实现数据的实时处理。采用Cypress公司的USB3.0专用接口芯CYUSB3014与FPGA连接完成了采样数据的高速传输测试，经过多次测试，USB3.0接口的准确、超高速、实时等性能得到了充分的体现。

谢谢楼主。

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