USB3.0-GPIB控制器设计

摘要

GPIB，是一种广泛应用于电子测量仪器的通用接口总线，它具有并行总线传输速度快、驱动能力强、通信距离远、抗干扰性能好及通用性等特点，利用它可以将电子测量仪器和计算机组建成一套积木式、模块化的自动测试系统。要组建基于GPIB总线的自动测试系统，核心是GPIB控制机。实现GPIB控制机最简单的方法是在计算机上连接一个GPIB控制器，而GPIB控制器上必须要有能与计算机直接相连的接口。传统的GPIB控制器一般都是基于RS232、ISA或PCI总线协议，在使用过程中存在着安装麻烦、不适合移动式测量、价格昂贵、受计算机插槽数量等多种问题。本课题针对基于传统接口总线的GPIB控制器在使用中出现的多种问题，将新的USB3.0技术融入到GPIB控制板卡的设计中，使得新的USB3.0-GPIB控制器速度更快、通用性更好、功耗更低。
　　本课题的主要内容由三部分组成：第一部分为USB3.0-GPIB控制器硬件电路设计与实现。其中包括USB3.0接口和GPIB接口电路的设计及实现接口控制的FPGA平台。USB3.0控制芯片选择CYPRESS公司的CYUSB3014芯片，因GPIB接口芯片受到专业用途的限制，价格昂贵、购买不便等的影响，本课题采用Verilog HDL语言来实现基于FPGA的GPIB控制芯片IP核，FPGA则选用ALTERA公司的EP3C16F484工业级片子。第二部分主要实现基于USB3.0接口的FPGA与电脑之间的数据通信。此部分包括USB3.0的固件设计、FPGA控制USB3.0芯片读写操作设计以及FPGA控制2片DDR2进行乒乓倒数据传输的设计。第三部分主要实现GPIB接口控制芯片的IP核的设计。GPIBIP核的设计包括各个接口功能模块的设计、读写控制模块的设计、配置寄存器模块的设计及终端模块的设计等。
　　实现以上内容后，将三部分内容整合到USB3.0-GPIB控制器板卡上进行调试，调试工作主要包括USB3.0的枚举测试、USB3.0数据流的测试分析及GPIB IP核各功能模块的编译与仿真。经测试设计的USB3.0-GPIB控制器成功实现了基于FPGA的USB3.0与电脑四个线程的稳定、正确的数据通信，GPIB IP核各功能模块功能验证正确。

目录

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1 绪论

1.1课题的研究目的与意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3课题的研究内容

1.4本文的组织结构

2 USB3.0-GPIB控制器系统方案设计

2.1 系统的总体设计方案

2.2 芯片的选型及其内部结构

2.3 本章小结

3 USB3.0-GPIB控制器板卡的硬件设计

3.1 电源模块的设计

3.2 FX3启动方式设计

3.3 配置电路的设计

3.4 USB3.0的PCB设计规则

3.5 本章小结

4 FPGA控制逻辑的设计

4.1 FPGA的开发流程

4.2 FPGA控制逻辑的设计

4.3 本章小结

5 基于FPGA的GPIB IP核设计

5.1 GPIB总线的简介

5.2 GPIB IP核的总体设计

5.3 GPIB接口的数据传输

5.4 GPIB接口功能的设计与实现

5.5 本章小结

6 USB3.0固件程序的设计

6.1 固件数据流

6.2 GPIF II接口

6.3 DMA通道

6.4 回调函数

6.5 固件编程

6.6 本章小结

7 测试与验证

7.1 USB3.0固件枚举测试

7.2 USB3.0数据传输测试

7.3 本章小结

8 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 工作展望

致谢

参考文献

附录A.研究生期间参与的项目

附录B.USB3.0-GPIB控制器PCB图

附录C.USB3.0-GPIB控制器原理图