基于USB 2．0總線的航天設備地面檢測系統

摘要：介紹了一種基于USB 2．0總線的接口轉換系統，主要運用于航天設備的地面檢測中。討論了USB 2．0控制器CY7C68013A與FPGA構成接口轉換系統的方式以及系統的通用性，著重論述了通用接口設計中的注意事項以及影響USB 2．0設備速度的因素。應用結果表明，USB 2．0轉換的接口有很強的通用性，能達到很高的傳輸速率，可以廣泛地運用于航天設備地面檢測以及普通工業測試系統中。
關鍵詞：USB 2．0；DMA；FPGA；CY7C68013A

0 引言
通用串行總線USB 2．0因其可熱插拔特性以及傳輸速度高而得到了越來越廣泛的應用，在高速傳輸模式下可以達到480 Mb／s。相對于通用串口而言，USB 2．0有速度高的優點，數據的接收發送速率遠遠高于RS 232等接口。而相對于PCI而言，USB 2．0具有熱插拔以及安裝方便的優點，不需要停止計算機設備的運行便可以進行安裝拆卸。因此，考慮到以上優點，可以通過FPGA將其轉換為各種不同接口以滿足不同
的應用需求。
USB接口擁有傳輸速度高、應用廣泛的特點。在航天設備的檢測中，經常需要處理多種不同的接口和不同數據格式，可以將USB 2．0接口加以轉換，在一個設備中集成多種不同的接口。本系統將PC機上的一個USB 2．0接口轉換為LVDS(Low Voltage Differential Signal)以及RS 422等接口，同時通過PC上位機軟件模擬相關的接口數據，使得航天設備的檢測變得更加簡便快捷。同時由于系統采用了可編程邏輯器件FPGA作為系統接口轉換單元，可以通過改變FPGA中的邏輯使系統適應不同的應用需求，加快了系統在不同運用場合下的開發速度，使系統具有很高的通用性。
系統采用Cypress公司的USB控制器Cy7C68013A以及Actel公司的APA300系列FPGA作為系統的主要部分，實現了USB 2．0總線與多種航天設備接口之間的互相轉換，并成功運用于多個衛星任務有效載荷的地面檢測中。本文給出了USB 2．0到各種接口轉換電路的相關軟硬件方案，同時討論了影響USB 2．0速度的相關問題。

1 系統硬件電路設計
1．1 硬件結構框圖
本系統主要用于航天設備的地面檢測中，通常需要涉及多種接口，如RS 422，LVDS等，同時需要模擬外部的開關控制信號等，涉及的信號接口比較雜。在最初設計中，該檢測設備主要用于某型號衛星電子設備接口功能和性能的測試，具體要求如下：
(1)模擬有效載荷功能，通過LVDS接口發送原始圖像數據至測控接口單元，共4路LVDS接口信號，分別為幀同步、行同步、時鐘和數據，傳輸速率為5 Mb／s；
(2)模擬相關功能，通過雙向異步RS 422串行接口與其他有效載荷接口通信，發送載荷的工程參數并接收控制信息然后執行相應動作，接口速率為115．2 Kb／s；
(3)衛星平臺接收來自有效載荷的圖像數據，接口為LVDS，數據傳輸速率為5 Mb／s；
(4)模擬載荷單元向衛星平臺輸出8路模擬量遙測信號；
(5)模擬相關載荷輸出6路遙控指令接口，指令接口為集電極開路輸出。
系統采用可編程邏輯器件完成相關的邏輯以及接口轉換，配合USB接口控制芯片完成系統的相關功能和需求。硬件設計的原理和結構如圖1所示。

如圖1所示，地面檢測設備主要由USB接口轉換模塊，FPGA，各種通信接口模塊，以及其他的輔助模塊(包括電源，時鐘和復位模塊等)組成。