多串口數據通信技術主要研究數據的多串口采集、存儲和處理。由于串口通信技術的廣泛應用，使得多串口采集卡一直是研究的熱點，從早期的基于PCI總線的多串口數據采集卡到后來的基于USB的多串口數據采集卡，以及現在的基于USB3.0的多串口數據采集卡。

PCI采集卡由于使用不方便，逐漸被淘汰，目前USB傳輸系統被廣泛應用。USB2.0理論傳輸速度為480Mb/s，而USB3.0的傳輸速率可高達5Gb/s，且在USB2.0的基礎上又增加了超高速傳輸模式。本文設計的系統中有80個485傳輸通道，每個通道的速率為1~10Mb/s，最高傳輸速率可達800Mb/s，USB2.0已不能滿足此要求。因此本文采用了Cypress的CYUSB3014和Altera的CycloneIII系列FPGA，CYUSB3014保證與PC的傳輸性能，FPGA負責多串口數據的采集以及對CYUSB3014的控制。

1 EZ-USB3.0 FX3與FPGA接口設計

1.1系統框架

整個多串口數據采集與傳輸系統框圖如圖1所示。圖中虛線部分為該系統的硬件框圖，整個系統由3部分組成，USB3.0芯片選擇了業界性能表現最好的Cypress的CYUSB3014芯片（簡稱FX3芯片），理論上通信速率可達4.8Gb/s，該芯片除了擁有GPIF2.0接口可方便與外設進行通信外，還有標準的SPI、UART、I2C、I2S與外設進行通信；FPGA采用了Cyclone3C40系列的芯片，邏輯資源、片上RAM以及I/O腳數目都能充分滿足本系統設計；80路485傳輸芯片采用了ADI的ADM3485E，是一款3.3V低功耗數據收發器，提供±15kV的ESD保護，適用于多點總線線路的半雙工通信。共模輸入范圍-7V~+12V，數據速率可達12Mb/s，能滿足本系統的設計要求。

圖1多串口數據傳輸系統框圖

1.2 FX3與FPGA的通信設計

FX3與FPGA通信主要分為兩類：

（1）FX3對FPGA的配置信息：PC通過FX3將串口的相關信息發送給FPGA，如各串口的奇偶校驗、波特率、空閑位、每路的統計信息等配置，此類信息數據量比較小；

（2）FX3與FPGA的大容量數據通信：FPGA將485采集的數據通過FX3傳輸到PC.

為了有效地利用FX3的超高速數據傳輸特性，針對這兩種不同的數據類型，本設計將兩種數據通道分開設計，其中配置信息較少，而采集的485數據容量很大，為了不使配置信息數據打斷485數據通道，將配置信息和數據信息通過兩個獨立的通道進行傳輸，其中配置信息采用了通過FX3的UART和FPGA進行通信，通信格式如下：

①EZ-USB向FPGA發送命令格式

②FPGA返回命令格式

FX3每發一條配置參數給FPGA，FPGA都會返回相應配置回應，并通知FX3可以繼續發送下一條配置信息，在配置信息都發送完成后，FX3最后會發送一條配置完成命令，此時FPGA會啟動外圍接口電路進入正常的數據采集過程。

2 USB3.0芯片固件設計

Cypress公司為USB3.0芯片提供了一個開發包，其中包括了典型的固件代碼。對USB3.0芯片固件的設計，可利用EZ-USBFX3固件函數庫簡化加速USB3.0固件程序的開發。固件程序主要完成的工作有：初始化、處理標準的USB設備請求及USB掛起時的電源管理等。任務循環的流程圖如圖2所示。

圖2任務循環流程圖

3 FPGA邏輯設計

FPGA采用了Altera公司的CycloneIII系列的3C40-C8，其邏輯門數有200萬門左右，最高工作頻率可以達到300MHz.整個工程使用了Verilog語言編寫，整個工程的綜合、布局布線都是在Quartus11.0版本下進行，仿真軟件使用Modelsim6.5se版本。本設計中FPGA邏輯設計主要包括485數據采集模塊及與FX3的讀寫時序控制邏輯，整個工程使用邏輯單元，片上RAM使用率接近系統的95%，整個系統工作頻率為100MHz.

3.1邏輯模塊設計

系統的邏輯模塊分為時鐘模塊、FX3發送/接收緩存模塊、發送/接收控制模塊、FX3讀寫控制模塊、485接收模塊、485發送模塊以及配置串口參數模塊。

整個系統的數據流分為兩個過程：485數據采集過程和485發送控制命令過程。

（1）485數據采集過程：485數據通過485接收模塊傳送給FX3接收緩存模塊，在FX3數據接口沒有被占用時，通過FX3讀寫控制模塊發送給USB3.0芯片并傳到PC端。

（2）485數據發送過程：USB3.0芯片通過FX3讀寫控制模塊將數據發送到FX3發送緩存模塊中，在收發控制模塊檢測到相關串口空閑后通過485發送模塊將相關數據發送出去。

485收發相對于USB3.0速度來說，屬于慢速設備。為了提高USB3.0總線利用率，此處只設計了兩種緩存，即接收緩存和發送緩存，大小都設置為512KB，80路的485接收和發送buffer最終都匯聚到這兩種緩存上，有效地減少了短包和空包發生率。

3.2 FX3接口時序

FPGA與FX3之間采用了Slavefifo模式，FPGA通過狀態標志的flaga、flagb、flagc、flagd來判斷FX3的接收/發送緩存的數據狀態，當flaga/flagc為高時，表示FX3緩存中接收到了數據；當flagb/flagd為高時，表示FX3的發送緩存為非滿狀態，FPGA可對其進行寫數據操作。

圖3所示為FX3的A通道讀時序，FPGA先檢測i_usb_flaga是否為高電平，如果為高電平則表示A通道buffer中有數據可讀，此時將通道地址信號設置為0，片選信號o_usb_slcs_n/o_usb_sloe_n拉低，o_usb_slrd_n信號拉低后，在4個時鐘之后，數據將出現在io_usb_dq上，如果進行寫操作則將o_usb_slwr_n拉低。對應的通道號地址選對，同時將片選信號拉低即可，寫通道時序如圖4所示。

圖3 FX3的A通道數據讀取時序

圖4 FX3的B通道寫數據時序

4通信速度實驗結果

利用Cypress的Streamer軟件，可以測試該USB3.0傳輸系統的傳輸速率。將Packets per Xfer設置為256，在win764位下（電腦配置為華碩N53XI241SN，Fresco FL1000系列的控制器）的傳輸速率測試結果為2.5Gb/s，滿足了整個系統的性能，如圖5所示。

圖5讀速率測試結果圖

該系統適合于超高速數據的傳輸，具有電路簡單、體積小等優點。FPGA技術與USB3.0的結合有極大的靈活性和可擴展性，基于FPGA和USB3.0的突出優點，該設計方案必將應用在更廣闊的領域。