USB2.0定向传输设备
日期：2008-5-11 22:51:13 来源：《PLC&FA》
点击： 作者：未知
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1 引言
计算机网络的发展同时，信息安全越来越值得人们去重视。本设备能有效的阻止网上下载资料的时候不被恶意者盗取公司企业个人自资料。
设备主要特点如下：采用cpld（多用途和高逻辑密度的可重复编程的门阵列）芯片，它不仅具有设计方便、灵活和校验快等特点，而且具有设计可随意改变的特点；设备由cpld、8051单片机、fifo及输入输出接口组成，功能模块划分合理、清晰，集成度高，使得设备简洁明了，测试、维护方便；设备可传输任何文件数据，实现了外网计算机到内网计算机文件数据的绝对可靠传输。
2 芯片资料介绍
设计中用到的是56脚的68013芯片（全称cy7c68013-56pvc）。使用该芯片传输数据主要是通过芯片的端点完成的。cypress公司的cy7c68013（ez-usb fx2）集成了usb2.0收发器、sie（串行接口引擎）、增强型8051微控制器和可编程的外围接口。这种独创性结构可使数据传输率达到56mbps，即usb2.0允许的最大带宽。在fx2中，智能sie可以硬件处理许多usb1.1和usb2.0协议，从而减少了开发时间和确保了usb的兼容性。gpif和主/从端点fifo（8位或16位数据总线）为ata、utopia、epp、pcmcia和dsp等提供了简单和无缝连接接口。
3 硬件系统设计
3.1 数据传输连接逻辑
图1 数据传输逻辑图
数据传输原理如图1所示。串并转换模块的作用是在时钟信号做驱动时将数据信号进行串并转换，由cpld/fpga实现。缓冲模块用于将传输的数据进行存储以实现数据缓冲，由fifo和68013芯片内部存储器实现。控制数据传输模块用于在数据传输时控制数据的流向以达到正确方向传输数据，由68013芯片实现。当传输数据时，由控制数据传输模块向缓冲模块发送一个控制信号，来决定控制缓冲模块是否发送数据；缓冲模块对控制信号请求做出应答。设计的固件程序流程主要是应用在68013芯片内部的增强型8051单片机中。
3.2 数据传输各模块的功能
（1）串并转换模块。这一部分主要包括两块cypress 68013芯片和两个usb2.0接口，分别与两台计算机的usb接口进行交互。68013为usb2.0传输控制芯片，是计算机识别该设备的标志。该芯片的核心是一块8051单片机，通过将实现传输控制指令的汇编程序固化于该8051单片机，完成设备与两台计算机的数据交互。
（2）缓存模块。这一部分主要是idt 72265扩展fifo。高速数据传输过程中，如果没有缓存模块，当数据采集处理任何一个环节发生延迟，都很有可能导致数据丢失。因此，在输出计算机端，数据经过cy68013并经过串并转换之后；在输入计算机端，数据进入cy68013进行并串转换之前，我们都必须加上idt72265扩展fifo，以保证数据的完整传输。
（3）cpld传输控制模块。以cpld即可编程逻辑器件作为传输控制核心，对时序及数据传输整体流程进行控制。利用cpld的可编程特性，控制与其各管腿连接的其他芯片间的逻辑关系，保证数据正确传输。
3.3 总体设计
图2 总体设计框图
总体设计如图2所示。数据从外网计算机经过编码打包后发出，串并转化之后传到本设备接收端的cy680130，由cy680130再传送到fifo idt72265中，经过fifo idt72265的缓存作用后传送到本设备输出端的cy680131，最后并串转换译码组包到内网计算机。（本文中把与外网计算机连接的cy68013称为cy680130，其所有i/o端口都加下标0区分；与内网计算机相连的cy68013称为cy680131。其所有i/o端口都加下标1区分。）
由于数据从特定的引脚进fifo，从特定的引脚出fifo的特性，外网计算机不能从内网计算机中得到任何反馈数据，保证了数据的定向传输。即使是不小心把该设备的接收端与外网计算机相连、发送端与内网计算机相连，由于两块cy68013所用的端点不同，驱动程序不同并且由于装在外网和内网计算机上的客户端软件各不相同，内网计算机上的软件只有接收功能，没有发送数据的功能，不会把内网计算机上的数据发送出去，杜绝了因大意泄密的可能。所以该设备将为网络提供更加安全可靠的文件数据传输方案，保证文件数据传输过程的安全。
4 软件系统设计
4.1 usb数据传输研究
usb执行out传输，将ep2端点设成512字节四重fifo。在usb端和外部接口端都并不知道有四重fifo。看来，usb端只要有1个fifo为“半满”，就可以继续发送数据。当fifo写“满”时，fx2自动将其转换到外部接口端，排除等候读取；并将usb接口队列中下一个为“空”的fifo转移到usb接口上，供其继续写数据。外部接口端与此类似，只要有1个fifo为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的fifo读“空”时，fx2自动将其转换到usb接口端，排除等候写入；并将外部接口队列中下一个为“满”的fifo转移到外部接口上，供其继续读取数据。
4.2 usb驱动程序
usb设备驱动程序高度依赖其总线驱动程序(usbd.sys)，而不直接使用hal函数与硬件通信。usb驱动程序为了向其硬件设备发送一个请求，将首先创建一个usb请求块(urb)，然后把urb提交到总线驱动程序。因此为保证驱动程序具有广泛的适用性，我们采用ddk来编写usb驱动程序。
5 传输控制仿真
在modelsim xe ⅱ中对控制程序进行时序仿真。
图3 系统仿真图
其信号仿真值如图3所示： fifoa-dr00、fifoadr01、fifoadr10、fwft、oe输出值为低电平0；pkte-nd0、pktend1、fifoadr11、slwr0输出均为高电平1；mrs低电平有效，复位之后变为高电平1；inclk为基准时钟，rclk为1/2inclk，wclk为1/4inclk。
6 结束语
本文介绍了定向传输设备的原理，工作过程及控制部分仿真结果。本设备在研制过程中主要有三个技术难点，我们从软件方面解决这些问题。当设备连接后，接收端开启后台服务程序，进行实时检测，一旦检测到有数据输入，即进行接收组包；发送端可随时将文件数据进行分割发送。
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1 引言
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2 芯片资料介绍
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设计中用到的是56脚的68013芯片（全称cy7c68013-56pvc）。使用该芯片传输数据主要是通过芯片的端点完成的。cypress公司的cy7c68013（ez-usb fx2）集成了usb2.0收发器、sie（串行接口引擎）、增强型8051微控制器和可编程的外围接口。这种独创性结构可使数据传输率达到56mbps，即usb2.0允许的最大带宽。在fx2中，智能sie可以硬件处理许多usb1.1和usb2.0协议，从而减少了开发时间和确保了usb的兼容性。gpif和主/从端点fifo（8位或16位数据总线）为ata、utopia、epp、pcmcia和dsp等提供了简单和无缝连接接口。
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3 硬件系统设计
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3.1 数据传输连接逻辑
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图1 数据传输逻辑图
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
数据传输原理如图1所示。串并转换模块的作用是在时钟信号做驱动时将数据信号进行串并转换，由cpld/fpga实现。缓冲模块用于将传输的数据进行存储以实现数据缓冲，由fifo和68013芯片内部存储器实现。控制数据传输模块用于在数据传输时控制数据的流向以达到正确方向传输数据，由68013芯片实现。当传输数据时，由控制数据传输模块向缓冲模块发送一个控制信号，来决定控制缓冲模块是否发送数据；缓冲模块对控制信号请求做出应答。设计的固件程序流程主要是应用在68013芯片内部的增强型8051单片机中。
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3.2 数据传输各模块的功能
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（1）串并转换模块。这一部分主要包括两块cypress 68013芯片和两个usb2.0接口，分别与两台计算机的usb接口进行交互。68013为usb2.0传输控制芯片，是计算机识别该设备的标志。该芯片的核心是一块8051单片机，通过将实现传输控制指令的汇编程序固化于该8051单片机，完成设备与两台计算机的数据交互。
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（2）缓存模块。这一部分主要是idt 72265扩展fifo。高速数据传输过程中，如果没有缓存模块，当数据采集处理任何一个环节发生延迟，都很有可能导致数据丢失。因此，在输出计算机端，数据经过cy68013并经过串并转换之后；在输入计算机端，数据进入cy68013进行并串转换之前，我们都必须加上idt72265扩展fifo，以保证数据的完整传输。
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（3）cpld传输控制模块。以cpld即可编程逻辑器件作为传输控制核心，对时序及数据传输整体流程进行控制。利用cpld的可编程特性，控制与其各管腿连接的其他芯片间的逻辑关系，保证数据正确传输。
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3.3 总体设计
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图2 总体设计框图
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总体设计如图2所示。数据从外网计算机经过编码打包后发出，串并转化之后传到本设备接收端的cy680130，由cy680130再传送到fifo idt72265中，经过fifo idt72265的缓存作用后传送到本设备输出端的cy680131，最后并串转换译码组包到内网计算机。（本文中把与外网计算机连接的cy68013称为cy680130，其所有i/o端口都加下标0区分；与内网计算机相连的cy68013称为cy680131。其所有i/o端口都加下标1区分。）
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由于数据从特定的引脚进fifo，从特定的引脚出fifo的特性，外网计算机不能从内网计算机中得到任何反馈数据，保证了数据的定向传输。即使是不小心把该设备的接收端与外网计算机相连、发送端与内网计算机相连，由于两块cy68013所用的端点不同，驱动程序不同并且由于装在外网和内网计算机上的客户端软件各不相同，内网计算机上的软件只有接收功能，没有发送数据的功能，不会把内网计算机上的数据发送出去，杜绝了因大意泄密的可能。所以该设备将为网络提供更加安全可靠的文件数据传输方案，保证文件数据传输过程的安全。
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4.2 usb驱动程序
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usb设备驱动程序高度依赖其总线驱动程序(usbd.sys)，而不直接使用hal函数与硬件通信。usb驱动程序为了向其硬件设备发送一个请求，将首先创建一个usb请求块(urb)，然后把urb提交到总线驱动程序。因此为保证驱动程序具有广泛的适用性，我们采用ddk来编写usb驱动程序。
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5 传输控制仿真
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其信号仿真值如图3所示： fifoa-dr00、fifoadr01、fifoadr10、fwft、oe输出值为低电平0；pkte-nd0、pktend1、fifoadr11、slwr0输出均为高电平1；mrs低电平有效，复位之后变为高电平1；inclk为基准时钟，rclk为1/2inclk，wclk为1/4inclk。
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6 结束语
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本文介绍了定向传输设备的原理，工作过程及控制部分仿真结果。本设备在研制过程中主要有三个技术难点，我们从软件方面解决这些问题。当设备连接后，接收端开启后台服务程序，进行实时检测，一旦检测到有数据输入，即进行接收组包；发送端可随时将文件数据进行分割发送。
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