接口设计论文提纲

论文题目：创新USB与常用串口通信总线接口设计

摘要：随着微电子技术和计算机、通信、网络技术的不断发展,各种通信接口芯片的功能日益增多,不同接口设备之间的交互也日益频繁。而现有接口设备局限于业务单调,扩展复杂,带宽受到局限,接口的兼容性、传输速度、经济成本、同步性以及传输效率等性能还有待提高,如果仅仅在原有的框架内修改或完善效果已不太明显。本论文结合科技惠民项目“创新USB传输技术在家庭网中的应用研究”,在现有USB接口技术基础之上,提出一种创新USB传输技术的概念,旨在通过此新型接口克服目前数据传输所存在的接口互不兼容、速率受限、帧长受限、同步复杂的缺点,并最终实现创新USB接口与外部设备接口进行数据传输的功能。创新USB接口结合常用串口通信总线先将不同协议、不同传输速率、不同数据帧格式的数据接收缓存,然后将这些数据按照创新USB协议规定的方式进行传输,由于这种传输不对源数据进行解包后从新打包,而是直接存储转发,因而简化了电路、降低了传输时延。同时,随着中、大规模集成电路的出现和集成电路规模的迅速发展,单个数字电路芯片内部容纳的逻辑器件越来越多,FPGA凭借充足的用户I/O资源、灵活的可编程逻辑及支持多种电平标准,在外设接口实现方面拥有独特的优势。此外,由于数据传输中常用通信总线接口如RS-232、I2C及SPI等的广泛应用,再加上通用总线USB比较成熟的现有技术,本接口设计可采用完全不受芯片结构束缚的Top to Down的自行编写模块方法,结合硬件描述语言,实现创新USB与常用串口通信总线接口设计,使接口系统有一个比较清晰的结构,且便于移植、优化和升级。论文主要从接口的具体设计以及仿真测试论述,主要内容如下:通过对现有FPGA开发技术、USB及常用总线接口通信和数据传输协议的深入研究,结合所要设计的新型USB接口功能的具体要求,提出了基于FPGA的创新USB与常用串口通信总线接口设计方案。并通过对常用通信总线和创新USB接口的技术特点分析对设计方案加以论证。针对系统FPGA设计部分,论文借助硬件描述语言VHDL、Xilinx公司集成化开发平台ISE以及Synopsys公司的逻辑综合工具Synplify Pro 9.6.2,对系统进行具体模块化设计。所设计接口系统按功能主要设计的模块有:物理层数字接口模块、FIFO模块、创新USB协议层模块、人机交互模块。其中物理层数字接口模块主要包括RS-232、I2C总线、SPI总线三种数据模式的接收、信息包拆分及数据调整、位填充、NRZI编码、CRC校验和并串转换;FIFO模块主要实现位填充和编码后的数据的传输,并根据系统具体工作情况智能识别及解决FIFO发送/接收过快问题;创新USB协议层模块主要实现功能为数据校验、NRZI解码、去位填充、数据接收和在创新USB传输协议下将数据发送出去;人机交互模块则是对所传输数据正确与否的有效验证,包括控制器模块和显示模块,其中控制器模块主要实现速率可调、帧长可调以及二线、四线模式控制模块等,显示模块的主要功能是视觉呈现接口传输的数据。物理层数字接口模块、创新USB协议层模块和人机交互模块是整个系统设计的关键。系统仿真和整体测试方面,通过专业EDA仿真工具ModelSim对接口具体设计中的各个功能模块进行仿真,验证各模块达到预期设计的功能。最后,对创新USB接口进行了系统整体验证,通过验证,系统接口能将常用串口通信总线传输过来的数据成功有效地通过创新USB接口传输,系统整体达到预定设计要求。综上所述,基于FPGA的创新USB与常用串口通信总线接口设计借鉴现有USB接口技术,可将不同通信协议的常用总线接口融合在一起,按照创新USB接口传输协议成功传输数据。能使大量支持RS-232、I2C和SPI串行接口的设备在保持原有设计的基础之上,然后又具有串行数据传输、速率可选、数据帧长可选、工作模式可选的功能,将会强有力的促进数字通信的发展。

关键词：创新USB;串口通信总线;FPGA;接口

学科专业：信号与信息处理

摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究动态

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文的组织架构

第2章 系统设计方案及相关接口特性分析

2.1 系统总体设计方案

2.2 设计接口特性分析

2.2.1 创新USB接口特性分析

2.2.2 RS-232 接口特性分析

2.2.3 I~2C接口特性分析

2.2.4 SPI接口特性分析

2.3 本章小结

第3章 FPGA技术特点及开发工具分析

3.1 FPGA特性分析

3.1.1 FPGA总体概述

3.1.2 FPGA设计流程

3.2 FPGA开发工具

3.2.1 ISE特性分析

3.2.2 Synplify Pro特性分析

3.2.3 Model Sim特性分析

3.3 开发语言VHDL特性分析

3.4 FPGA芯片选择

3.5 软IP核特性分析

3.6 本章小结

第4章 接口具体设计

4.1 物理层数字接口模块设计

4.1.1 RS-232 接收模块设计

4.1.2 I~2C接收模块设计

4.1.3 SPI接收模块设计

4.1.4 信息包拆分及数据转换模块设计

4.2 FIFO模块设计

4.3 创新USB协议层模块设计

4.3.1 发送模块设计

4.3.2 数据接收前处理模块设计

4.3.3 接收模块设计

4.4 人机交互模块设计

4.4.1 控制器模块设计

4.4.2 显示模块设计

4.5 本章小结

第5章 接口系统的仿真及验证

5.1 物理层数字接口模块仿真

5.1.1 RS-232 接收模块仿真

5.1.2 I~2C接收模块仿真

5.1.3 SPI接收模块仿真

5.1.4 信息包拆分及数据转换模块仿真

5.2 FIFO模块仿真

5.3 创新USB协议层模块仿真

5.3.1 发送模块仿真

5.3.2 数据接收前处理模块仿真

5.3.3 接收模块仿真

5.4 人机交互模块仿真

5.4.1 控制器模块仿真

5.4.2 显示模块仿真

5.5 系统整体仿真测试与性能分析

5.5.1 常用串口通信总线数据接收测试

5.5.2 四线数据发送与接收的测试

5.5.3 系统性能分析

5.6 本章小结

结论

致谢

参考文献