CN102087624B - 基于fpga模块实现usb接口功能验证测试的电路结构及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构，其中电路结构包括FPGA模块、ARM芯片，FPGA模块中装载有USB主机控制程序，FPGA模块通过LVDS信号接口与待测试的USB设备连接，FPGA模块与ARM芯片连接，ARM芯片与测试计算机连接。本发明还涉及一种利用该电路结构进行USB接口功能验证测试的方法。采用该种基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法，通过测试计算机与USB设备通信完成了与USB设备的识别和枚举过程，并通过ARM芯片解析测试计算机发送的命令和控制USB设备发送给测试计算机的命令，不仅能够更加全面、更加方便及更加有效的验证USB接口，而且结构简单实用，操作过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备的USB接口领域，特别涉及电子设备的功能芯片的USB接口技术领域，具体是指一种基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法。
背景技术
USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。版本经历了多年的发展，到现在已经发展为2.0版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0(本文章主要是针对USB1.1)，。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口。USB具有传输速度快(USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps)，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。
根据USB的协议USB1.1电气特性主要是对信号的发送及电压分布情况的描述。下面我们将分别对其进行详细介绍，首先来看看其信号的发送。
1、信号的发送
USB通常使用一种差分的输出驱动器来控制数据信号在USB电缆上的发送，在了解具体的信号发送之前，我们先来谈谈有关USB设备的特性。
(1)USB驱动器的特性及其使用
一个USB设备端的连接器是由D+、D-及Vbus，GND和其它数据线构成的简短连续电路，并要求连接器上有电缆屏蔽，以免设备在使用过程中被损坏。它有两种工作状态，即低态和高态。在低态时，驱动器的静态输出端的工作电压Vol变动范围为0～0.3V，且接有一个15kΩ的接地负载。处于差分的高态和低态之间的输出电压变动应尽量保持平衡，以能很好地减小信号的扭曲变形。
低速驱动器特性：
一个低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆，其速率为1.5Mb/s。当电缆与设备相连时，在D+/D-线上必须要有一个200～450PF的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于18ns，从而保证信号响应在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。请参阅图1所示，其中列出了低速驱动器的信号波形。
全速驱动器特性：
一个全速USB设备的连接是通过阻抗为90Ω±15％，最大单路时延为26ns的屏蔽双绞线电缆进行的，其到达的最大速率为12Mb/s，并且每个驱动器的阻抗必须在28Ω～44Ω之间。请参阅图2所示，其中描述了全速驱动器的信号波形。
再请参阅图3和图4所示，其中分别列出了全速和低速USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备。从图可以看出在电缆的下形端的电阻Rpu在两图中的连接位置是不同的：
●全速设备中的Rpu电阻是接在D+线上的
●低速设备中的Rpu电阻是接在D-线上的
下行端口处的Rpu电阻是与地相连的，其电阻为15KΩ±5％。
这个Rpu电阻的选取要满足一定的条件，为了在一个复位操作结束后方便地确定可被执行的总线状态，那么选取Rpu时要能使D+/D-线上的电压在2.5us的最大复位松驰时间内可在0～Vih内自由变动。为了满足这一条件，带有可分电缆的设备必须使用加载电压在3.0～3.6V间阻抗为1.5KΩ±5％的电阻；而具有可控电缆的设备可以使用两种方法中的任一种。注意：终端电阻不包括主机/HUB上的15KΩ±5％的电阻。
所有集线器和高速的功能设备上行端口(朝主机方向的)必须使用高速的驱动器，上行集线器端口既可以高速又可以低速来传送数据，但是在信号发送时总是使用高速和边缘速率。低速数据的传输不改变驱动器的特性，低速设备的上行端口必须使用低速驱动器。
所有集线器(包括主机的)外部下行端口必须能适用于两种特性的驱动器，也就是说，任何类型的设备都能被插入这些端口中。当收发器工作在高速模式时，它使用高速和边缘速率来进行信号的发送；工作在低速时，它使用低速和边缘速率来发送数据。
(2)接收器特性
一个差分输入接收器用来接收USB数据信号，当两个差分数据输入处在共同的0.8～2.5V的差分模式范围时，请参阅图5所示。
LVDS信号特性：
LVDS技术是一种低摆幅的通用I/O标准，其低摆幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗，解决了物理层点对点传输的瓶颈问题，满足了数据高速传输的要求。降低供电电压减少了高密度集成电路的功耗，减少了芯片内部的散热，从而提高了芯片的集成度。LVDS具有数据率高、功耗低、端接匹配容易、可靠性高、成本低等优点。
LVDS的物理接口使用1.2V偏置，约400mV摆幅的信号，LVDS驱动器和接收器是电流驱动方式，不依赖于特定的供电电压，很容易迁移到低电压供电的系统中去，而且性能不变。图2是一个简单的单向LVDS接口连接图，每个点对点连接的差分对由一个驱动器、互连介质和一个接收器组成，驱动器和接收器主要完成，TTL信号和LVDS信号的互相转换；互连介质包括电缆、PCB上的差分线对和匹配阻抗。
LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成，通常为3.5mA。LVDS接收器具有很高的输入阻抗，驱动器输出的电流大部分都流过100欧姆的匹配电阻，并在接收器的输入端产生大约350mV的电压。当驱动器翻转时，则改变流经电阻的电流方向，产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。LVDS接收器可以承受±1V的电压变化，当存在系统噪声时，噪声以共模方式同时耦合到一对差分线上，并在接收器中相减，从而消除噪声
在FPGA中的实现Vitex系列FPGA的IOB(I/O Block)单元完全符合LVDS的IEEE规范，从而简化了系统及板级间的设计。IOB内集成有电流源，不需要再外接，且有3.3V和2.5V两种固定电压工作模式及一种扩展工作模式，为实现LVDS接口提供了最方便、灵活的解决方案。扩展工作模式提供更大的驱动能力和电压摆幅(350～750mV)，更适合长距离或电缆式的LVDS接口应用。
可以看出FPGA的2.5V的电压模式是符合USB1.1的电气特性。故通过FPGA的LVDS接口验证USB1.1接口。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种更加全面、方便及有效的验证USB接口、结构简单实用、操作过程快捷方便、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法。
为了实现上述的目的，本发明的基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法如下：
该基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括FPGA模块、ARM(Advanced RISC Machine)芯片，所述的FPGA模块中装载有USB主机控制程序，所述的FPGA模块通过LVDS信号接口与待测试的USB设备相连接，所述的FPGA模块与所述的ARM芯片相连接，且所述的ARM芯片与测试计算机相连接。
该基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构中的FPGA模块为FGPA芯片，所述的ARM芯片上的GPIO端口和PHOST端口与所述的FPGA芯片的GPIO端口相连接。
该基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构中的ARM芯片通过串行通信接口与所述的测试计算机相连接。
该利用上述的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的FPGA模块进行USB设备识别检测处理操作；
(2)所述的测试计算机通过所述的FPGA模块进行获取USB设备描述符信息的处理操作；
(3)所述的FPGA模块进行USB设备地址设定的处理操作；
(4)所述的FPGA模块进行获取配置描述符信息的处理操作；
(5)所述的FPGA模块进行设置USB设备配置的处理操作。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块进行USB设备识别检测处理操作，包括以下步骤：
(11)所述的FPGA模块进行新的USB设备接入检测处理；
(12)所述的FPGA模块重新设置该接入的新的USB设备；
(13)所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路；
(14)所述的FPGA模块检测该新的USB设备的数据传输速度。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块进行新的USB设备接入检测处理，包括以下步骤：
(111)所述的FPGA模块监视每个端口的信号电压；
(112)当检测到某个端口的信号电压升高，则产生相应的中断事件；
(113)所述的FPGA模块发送状态获取请求，从而获取该新的USB设备的连接时间。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块重新设置该接入的新的USB设备，包括以下步骤：
(121)所述的FPGA模块发送配置设置请求；
(122)所述的FPGA模块使得该新的USB设备的USB数据线处于重启状态至少10ms。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路，包括以下步骤：
(131)所述的FPGA模块发送获取状态请求来验证该新的USB设备是否处于重启状态；
(132)当该新的USB设备释放重启状态并进入默认状态时，则所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块检测该新的USB设备的数据传输速度，包括以下步骤：
(141)所述的FPGA模块判断与该新的USB设备相连接的D+信号线和D-信号线中哪根信号线在空闲时有更高的电压；
(142)如果D+信号线上电压更高，则该新的USB设备为全速设备；
(143)如果D-信号线上电压更高，则该新的USB设备为低速设备。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的测试计算机通过FPGA模块进行获取USB设备描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
(21)所述的测试计算机通过FPGA模块向该新的USB设备发送USB协议规定的获取USB设备描述符命令，以取得缺省控制管道所支持的最大数据包长度；
(22)所述的FPGA模块接收该新的USB设备的响应信息，并读取该响应信息中的描述符的前8个字节，从而得到该新的USB设备的最大数据包长度。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块进行USB设备地址设定的处理操作，包括以下步骤：
(31)所述的FPGA模块向该新的USB设备发送设置地址请求，且该设置地址请求中包括有新的地址信息；
(32)该新的USB设备读取该设置地址请求，并返回相应的确认消息，同时保存该新的地址信息。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块进行获取配置描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
(41)所述的FPGA模块根据新的地址信息向该新的USB设备重新发送获取设备描述符命令，以读取该新的USB设备描述符的全部字段并了解该新的USB设备的总体信息；
(42)所述的FPGA模块向该新的USB设备循环发送获取设备配置命令，并接收该新的USB设备的应答信息，从而获得该新的USB设备的全部配置信息；
(43)所述的测试计算机通过该FPGA模块向该新的USB设备发送获取设备字符串命令，以获得该新的USB设备的字符集描述；
(44)所述的测试计算机上弹出窗口，展示该新的USB设备的信息；
(45)根据该新的USB设备对获取设备描述符命令和获取设备配置命令的应答信息，所述的测试计算机进行相应的USB驱动程序的搜索和加载。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的新的USB设备的字符集描述，包括生产厂商、产品描述和型号。
该进行USB接口功能验证测试的方法中的FPGA模块进行设置USB设备配置的处理操作，包括以下步骤：
(51)所述的FPGA模块发送设置配置命令请求，为该新的USB设备选择合适的配置；
(52)如果设置配置成功，则该新的USB设备进入配置状态。
采用了该发明的基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法，由于其中将USB主机控制程序装载入FPGA模块内，并通过ARM芯片的GPIO和PHOST端口连接FPGA模块的GPIO配置及控制USB设备，从而完成了对USB设备的系统控制，并通过FPGA模块的LVDS信号作为USB的D+、D-数据线进行数据传输，通过测试计算机连接FPGA的USB设备的D+、D-信号，在ARM芯片中存储某一USB设备的设备描述符和配置描述符等USB信息，通过测试计算机与USB设备通信，从而完成了与USB设备的识别和枚举过程，并通过ARM芯片解析测试计算机发送的命令和控制USB设备发送给测试计算机的命令，不仅能够更加全面、更加方便及更加有效的验证USB接口，而且结构简单实用，操作过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。
附图说明
图1为现有技术中USB设备低速驱动器信号波形示意图。
图2为现有技术中USB设备全速驱动器信号波形示意图。
图3为现有技术中全速USB设备电缆和电阻连接示意图。
图4为现有技术中低速USB设备电缆和电阻连接示意图。
图5为现有技术中差分输入接收器的差分输入阻抗范围示意图。
图6为本发明的基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构整体示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图6所示，该基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构，其中，所述的电路结构包括FPGA模块、ARM芯片，所述的FPGA模块中装载有USB主机控制程序，所述的FPGA模块通过LVDS信号接口与待测试的USB设备相连接，所述的FPGA模块与所述的ARM芯片相连接，且所述的ARM芯片与测试计算机相连接。
其中，所述的FPGA模块为FGPA芯片，所述的ARM芯片上的GPIO端口和PHOST端口与所述的FPGA芯片的GPIO端口相连接；所述的ARM芯片通过串行通信接口与所述的测试计算机相连接。
该利用上述的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其中包括以下步骤：
(1)所述的FPGA模块进行USB设备识别检测处理操作，包括以下步骤：
(a)所述的FPGA模块进行新的USB设备接入检测处理，包括以下步骤：
(i)所述的FPGA模块监视每个端口的信号电压；
(ii)当检测到某个端口的信号电压升高，则产生相应的中断事件；
(ii)所述的FPGA模块发送状态获取请求，从而获取该新的USB设备的连接时间；
(b)所述的FPGA模块重新设置该接入的新的USB设备，包括以下步骤：
(i)所述的FPGA模块发送配置设置请求；
(ii)所述的FPGA模块使得该新的USB设备的USB数据线处于重启状态至少10ms；
(c)所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路，包括以下步骤：
(i)所述的FPGA模块发送获取状态请求来验证该新的USB设备是否处于重启状态；
(ii)当该新的USB设备释放重启状态并进入默认状态时，则所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路；
(d)所述的FPGA模块检测该新的USB设备的数据传输速度，包括以下步骤：
(i)所述的FPGA模块判断与该新的USB设备相连接的D+信号线和D-信号线中哪根信号线在空闲时有更高的电压；
(ii)如果D+信号线上电压更高，则该新的USB设备为全速设备；
(iii)如果D-信号线上电压更高，则该新的USB设备为低速设备；
(2)所述的测试计算机通过所述的FPGA模块进行获取USB设备描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
(a)所述的测试计算机通过FPGA模块向该新的USB设备发送USB协议规定的获取USB设备描述符命令，以取得缺省控制管道所支持的最大数据包长度；
(b)所述的FPGA模块接收该新的USB设备的响应信息，并读取该响应信息中的描述符的前8个字节，从而得到该新的USB设备的最大数据包长度；
(3)所述的FPGA模块进行USB设备地址设定的处理操作，包括以下步骤：
(a)所述的FPGA模块向该新的USB设备发送设置地址请求，且该设置地址请求中包括有新的地址信息；
(b)该新的USB设备读取该设置地址请求，并返回相应的确认消息，同时保存该新的地址信息；
(4)所述的FPGA模块进行获取配置描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
(a)所述的FPGA模块根据新的地址信息向该新的USB设备重新发送获取设备描述符命令，以读取该新的USB设备描述符的全部字段并了解该新的USB设备的总体信息；
(b)所述的FPGA模块向该新的USB设备循环发送获取设备配置命令，并接收该新的USB设备的应答信息，从而获得该新的USB设备的全部配置信息；
(c)所述的测试计算机通过该FPGA模块向该新的USB设备发送获取设备字符串命令，以获得该新的USB设备的字符集描述；该新的USB设备的字符集描述，包括生产厂商、产品描述和型号；
(d)所述的测试计算机上弹出窗口，展示该新的USB设备的信息；
(e)根据该新的USB设备对获取设备描述符命令和获取设备配置命令的应答信息，所述的测试计算机进行相应的USB驱动程序的搜索和加载；
(5)所述的FPGA模块进行设置USB设备配置的处理操作，包括以下步骤：
(a)所述的FPGA模块发送设置配置命令请求，为该新的USB设备选择合适的配置；
(b)如果设置配置成功，则该新的USB设备进入配置状态。
在实际使用当中，本发明中的通过FPGA的LVDS接口验证USB接口的过程中，为了USB1.1得到更加全面的，更加方便及有效的验证USB1.1接口。本发明提出了对USB1.1的HOST和DEVICE的验证方案，USB1.1HOST的FPGA验证：
首先将USB1.1HOST放入FPGA内，用FPGA的LVDS信号作为USB的D+、D-数据线进行数据传输。通过ARM GPIO和PHOST端口连接FPGA的GPIO配置及控制FPGA，完成对USB HOST的系统控制。通过FPGA的LVDS的信号连接USB1.1的DEVICE(如U盘)。对USB1.1的设备进行枚举。
枚举数据传输的全过程：
(1)集线器检测新设备
主机集线器监视着每个端口的信号电压，当有新设备接入时便可觉察。(集线器端口的两根信号线的每一根都有15kΩ的下拉电阻，而每一个设备在D+都有一个1.5kΩ的上拉电阻。当用USB线将PC和设备接通后，设备的上拉电阻使信号线的电位升高，因此被主机集线器检测到。
(2)主机知道了新设备连接后
每个集线器用中断传输来报告在集线器上的事件。当主机知道了这个事件，它给集线器发送一个Get_Status请求来了解更多的消息。返回的消息告诉主机一个设备是什么时候连接的。
(3)集线器重新设置这个新设备
当主机知道有一个新的设备时，主机给集线器发送一个Set_Feature请求，请求集线器来重新设置端口。集线器使得设备的USB数据线处于重启(RESET)状态至少10ms。
(4)集线器在设备和主机之间建立一个信号通路
主机发送一个Get_Status请求来验证设备是否激起重启状态。返回的数据有一位表示设备仍然处于重启状态。当集线器释放了重启状态，设备就处于默认状态了，即设备已经准备好通过Endpoint 0的默认流程响应控制传输。即设备现在使用默认地址0x0与主机通信。
(5)集线器检测设备速度
集线器通过测定哪根信号线(D+或D-)在空闲时有更高的电压来检测设备是低速设备还是全速设备。(全速和高速设备D+有上拉电阻，低速设备D-有上拉电阻)。
以下，需要USB的firmware(固件)进行干预
(6)获取最大数据包长度
测试计算机(PC)向address 0发送USB协议规定的Get_Device_Descriptor命令，以取得缺省控制管道所支持的最大数据包长度，并在有限的时间内等待USB设备的响应，该长度包含在设备描述符的bMaxPacketSize0字段中，其地址偏移量为7，所以这时主机只需读取该描述符的前8个字节。注意，主机一次只能列举一个USB设备，所以同一时刻只能有一个USB设备使用缺省地址0。
以下操作雷同，不同操作系统设定时延是不一样的，比如说win2k大概是几毫秒，如果没有反应就再发送一次命令，重复三次。
(7)主机分配一个新的地址给设备
主机通过发送一个Set_Address请求来分配一个唯一的地址给设备。设备读取这个请求，返回一个确认，并保存新的地址。从此开始所有通信都使用这个新地址。
(8)主机向新地址重新发送Get_Device_Descriptor命令，此次读取其设备描述符的全部字段，以了解该设备的总体信息，如VID，PID。
(9)主机向设备循环发送Get_Device_Configuration命令，要求USB设备回答，以读取全部配置信息。
(10)主机发送Get_Device_String命令，获得字符集描述(unicode)，比如产商、产品描述、型号等等。
(11)此时主机将会弹出窗口，展示发现新设备的信息，产商、产品描述、型号等。
(12)根据Device_Descriptor和Device_Configuration应答，PC判断是否能够提供USB的Driver，一般win2k能提供几大类的设备，如游戏操作杆、存储、打印机、扫描仪等，操作就在后台运行。但是Win98却不可以，所以在此时将会弹出对话框，索要USB的Driver。
(13)加载了USB设备驱动以后，主机发送Set_Configuration(x)命令请求为该设备选择一个合适的配置(x代表非0的配置值)。如果配置成功，USB设备进入“配置”状态，从而枚举完成。
对于USB1.1HOST的FPGA验证，通过ARM控制USB HOST对USB DEVICE进行枚举，并通过串口将枚举的信息传递到PC机，以便能清楚知道枚举的信息。如果能枚举成功，说明USB HOST基本功能正常。
ARM芯片控制USB HOST发送给USB的设备命令和解析接收USB的设备的命令。并将发送和接收的命令通过串口送到PC机上。
USB枚举步骤：
(1)获取设备描述符。
(2)设置USB设备地址。
(3)获取配置描述符。
(4)设置USB设备配置。
USB1.1DEVICE的FPGA验证：
首先将USB1.1DEVICE放入FPGA内，通过ARM GPIO和PHOST端口连接FPGA的GPIO配置及控制USB1.1device，完成对USB device的系统控制，通过FPGA的LVDS信号作为USB的D+、D-数据线进行数据传输，通过PC机连接FPGA的USB device D+、D-信号。在ARM中存储某一USB设备的设备描述符和配置描述符等USB信息。通过PC机与USB device通信，完成与USB device识别和枚举过程。通过ARM解析PC发送的命令和控制USB device发送给PC的命令。
PC机与USB device通信，完成与USB device识别和枚举过程。通过ARM解析PC发送的命令和控制USB device发送给PC的命令。如果PC机能枚举成功，表明能正确识别USB设备
做为USB设备枚举过程是主机发送命令。设备解析命令。给主机回相应的设备的信息。
下面以一个U盘为例来说明在枚举过程中USB host和device的行为：
(1)主机第一次发出请求描述符命令，数据流为：
80 06 00 02 00 00 09 00；
bRequest的值0x06，代表Get_Descriptor命令。
设备返回的数据为：
12 01 00 02 00 00 00 40 51 09 0E 16 00 02 01 02 03 01
bLenght的值为0x12，表示此描述符的长度。bDecriptorType的值为0x01，代表设备描述符。bcdUSB的值为0x0200，代表USB协议的版本号，此处2.0版，如果为0x0110则表示1.1版。bDeviceClass和bDeviceSubClass都为0，bMaxPacketSize0的值为0x40，表示端点0的数据包最大长度为64字节。iManufacturer、iProduct和iSerialNumber的分别为0x01、0x02和0x03，表示字符串索引，在主机读取字符串的命令中将以这几个值来填充wIndex字段。
(2)主机再次发出请求描述符指令，数据流为：
80 06 00 02 00 00 09 00
wValue的高字节为0x02表示配置描述符，表示请求配置描述符，wLength的值为0x0009，表示要求返回的数据长度为9个字节。
设备返回的数据只有9个字节：
09 02 20 00 01 01 00 80 32
第一位数为bLeng域，其值为0x09，代表此描述符的长度。bDecriptorType的值为0x02，表示配置描述符。wTotalLength的值为0x0020，表示包括此配置描述符、接口描述符、端点描述符和设备类及厂商定义的描述符的总长为32个字节。bNumInterfaces的值为0x01，表示该配置支持1个接口。MaxPower的值为0x32，表示总线耗电量为50×2＝100mA。
(3)在请求完配置描述符后，主机发出请求字符串描述符指令
设备返回相应字符串描述符数据流为：
80 06 00 03 00 00 02 00
wValue的高字节为0x03，表示字符串描述符。wIndex的值为0x0000，表示读取语言ID。wLength为0x0002要求设备返回2个字节数据。设备返回的数据为04 03，第一个字节为0x04表示语言ID字符串描述符长度为4个字节。
(4)在读取完字符串描述符后，主机发出Set_Configuration选择配置索引以激活这个设备的一个配置，然后设备对这一命令作出回应。此时枚举完成。
采用了上述的基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构及其方法，由于其中将USB主机控制程序装载入FPGA模块内，并通过ARM芯片的GPIO和PHOST端口连接FPGA模块的GPIO配置及控制USB设备，从而完成了对USB设备的系统控制，并通过FPGA模块的LVDS信号作为USB的D+、D-数据线进行数据传输，通过测试计算机连接FPGA的USB设备的D+、D-信号，在ARM芯片中存储某一USB设备的设备描述符和配置描述符等USB信息，通过测试计算机与USB设备通信，从而完成了与USB设备的识别和枚举过程，并通过ARM芯片解析测试计算机发送的命令和控制USB设备发送给测试计算机的命令，不仅能够更加全面、更加方便及更加有效的验证USB接口，而且结构简单实用，操作过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的电路结构包括FPGA模块、ARM芯片，所述的FPGA模块中装载有USB主机控制程序，所述的FPGA模块通过LVDS信号接口与待测试的USB设备相连接，所述的FPGA模块与所述的ARM芯片相连接，且所述的ARM芯片与测试计算机相连接，所述的方法包括以下步骤：
（1）所述的FPGA模块进行USB设备识别检测处理操作，包括以下步骤：
（11）所述的FPGA模块进行新的USB设备接入检测处理；
（12）所述的FPGA模块重新设置该接入的新的USB设备；
（13）所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路；
（14）所述的FPGA模块检测该新的USB设备的数据传输速度；
（2）所述的测试计算机通过所述的FPGA模块进行获取USB设备描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
（21）所述的测试计算机通过FPGA模块向该新的USB设备发送USB协议规定的获取USB设备描述符命令，以取得缺省控制管道所支持的最大数据包长度；
（22）所述的FPGA模块接收该新的USB设备的响应信息，并读取该响应信息中的描述符的前8个字节，从而得到该新的USB设备的最大数据包长度；
（3）所述的FPGA模块进行USB设备地址设定的处理操作，包括以下步骤：
（31）所述的FPGA模块向该新的USB设备发送设置地址请求，且该设置地址请求中包括有新的地址信息；
（32）该新的USB设备读取该设置地址请求，并返回相应的确认消息，同时保存该新的地址信息；
（4）所述的FPGA模块进行获取配置描述符信息的处理操作；
（5）所述的FPGA模块进行设置USB设备配置的处理操作，包括以下步骤：
（51）所述的FPGA模块发送设置配置命令请求，为该新的USB设备选择合适的配置；
（52）如果设置配置成功，则该新的USB设备进入配置状态。
2.根据权利要求1所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的FPGA模块进行新的USB设备接入检测处理，包括以下步骤：
（111）所述的FPGA模块监视每个端口的信号电压；
（112）当检测到某个端口的信号电压升高，则产生相应的中断事件；
（113）所述的FPGA模块发送状态获取请求，从而获取该新的USB设备的连接时间。
3.根据权利要求1所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的FPGA模块重新设置该接入的新的USB设备，包括以下步骤：
（121）所述的FPGA模块发送配置设置请求；
（122）所述的FPGA模块使得该新的USB设备的USB数据线处于重启状态至少10ms。
4.根据权利要求1所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路，包括以下步骤：
（131）所述的FPGA模块发送获取状态请求来验证该新的USB设备是否处于重启状态；
（132）当该新的USB设备释放重启状态并进入默认状态时，则所述的FPGA模块建立与该新的USB设备之间的信号通路。
5.根据权利要求1所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的FPGA模块检测该新的USB设备的数据传输速度，包括以下步骤：
（141）所述的FPGA模块判断与该新的USB设备相连接的D＋信号线和D－信号线中哪根信号线在空闲时有更高的电压；
（142）如果D＋信号线上电压更高，则该新的USB设备为全速设备；
（143）如果D－信号线上电压更高，则该新的USB设备为低速设备。
6.根据权利要求1所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的FPGA模块进行获取配置描述符信息的处理操作，包括以下步骤：
（41）所述的FPGA模块根据新的地址信息向该新的USB设备重新发送获取设备描述符命令，以读取该新的USB设备描述符的全部字段并了解该新的USB设备的总体信息；
（42）所述的FPGA模块向该新的USB设备循环发送获取设备配置命令，并接收该新的USB设备的应答信息，从而获得该新的USB设备的全部配置信息；
（43）所述的测试计算机通过该FPGA模块向该新的USB设备发送获取设备字符串命令，以获得该新的USB设备的字符集描述；
（44）所述的测试计算机上弹出窗口，展示该新的USB设备的信息；
（45）根据该新的USB设备对获取设备描述符命令和获取设备配置命令的应答信息，所述的测试计算机进行相应的USB驱动程序的搜索和加载。
7.根据权利要求6所述的利用基于FPGA模块实现USB接口功能验证测试的电路结构进行USB接口功能验证测试的方法，其特征在于，所述的新的USB设备的字符集描述，包括生产厂商、产品描述和型号。
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