USB3.0高速数据传输技术研究及应用

发布时间：2017-04-08 03:11

  本文关键词：USB3.0高速数据传输技术研究及应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子技术、信息技术的迅猛发展,数据传输接口也在不断更新换代。USB是一种串行总线标准,也是一种输入输出接口规范,具有高速、稳定、即插即用等特点,广泛应用于计算机和移动设备。USB3.0采用双总线结构,向后兼容USB2.0,超速模式最高速率可达5.0Gbps,支持主机与设备之间的全双工通信。实验室多数存储测试系统以USB2.0作为计算机与测试仪器之间的通信接口,但随着海量存储测试系统的出现,对接口速率提出了更高要求。在对USB3.0协议有一定了解的基础上,提出并设计了一个基于USB3.0的高速数据传输系统。通过几款USB3.0芯片的比较,最终选择CYUSB3014作为系统主控芯片,系统设计遵循通用性、可靠性的原则,需综合考虑电磁兼容、信号/电源完整性等因素,提高系统抗干扰能力,确保数据高速、准确传输。在硬件设计方面,利用Cadence软件为工具进行原理图设计和PCB绘制。详细介绍了各模块电路原理图及功能的实现。采用8层PCB设计,在布线前后对PCB进行多次仿真,详细介绍了差分对设计和眼图仿真,并提出PCB板间高速互连措施。软件设计方面,首先介绍了CYUSB3014内部数据传输机制,然后结合项目设计经验,进行固件程序设计和优化,提出两种USB设备驱动方法,介绍了上位机软件的设计及动态链接库的调用。最后,针对机载数据存储系统项目,介绍该高速数据传输系统的应用,对系统性能进行测试和验证。USB3.0采用Slave FIFO接口模式,详细介绍了GPIF II状态机设计;利用数据记录仪FPGA作为外部主控制器,通过调用IP核进行时钟和数据缓冲模块设计,并对读时序进行仿真。在该应用中,USB3.0接口速率可达120MB/s,系统工作稳定。与USB2.0接口方案相比,USB3.0接口具有明显优势。
【关键词】：海量存储 高速数据传输 USB3.0接口 CYUSB3014 眼图
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究现状与发展动态12-14
• 1.3 主要研究内容及结构安排14-15
• 2 USB3.0 协议概述15-21
• 2.1 USB3.0 的体系结构15-16
• 2.2 USB3.0 的包类型16-18
• 2.3 USB3.0 数据传输类型18-19
• 2.4 USB3.0 的编解码方式19-20
• 2.5 USB3.0 设备枚举20
• 2.6 本章小结20-21
• 3 高速数据传输系统电路设计21-43
• 3.1 系统总体设计方案21-22
• 3.2 USB3.0 控制芯片介绍22-24
• 3.2.1 芯片选型22-23
• 3.2.2 CYUSB3014介绍23-24
• 3.3 原理图设计24-31
• 3.3.1 USB3.0 接口电路设计25-26
• 3.3.2 电源模块设计26-28
• 3.3.3 I2C电路设计28-30
• 3.3.4 时钟与复位电路设计30-31
• 3.3.5 JTAG接口电路设计31
• 3.4 高速PCB设计及信号完整性分析31-42
• 3.4.1 PCB预布局与叠层设置32-34
• 3.4.2 差分对设计与仿真34-40
• 3.4.3 约束驱动布线40-41
• 3.4.4 PCB之间的高速互连41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 4 高速数据传输系统软件设计43-56
• 4.1 固件程序设计43-50
• 4.1.1 固件程序框架47-48
• 4.1.2 固件开发环境48-50
• 4.2 驱动程序设计50-52
• 4.2.1 通用驱动程序设计50-51
• 4.2.2 NI-VISA驱动程序设计51-52
• 4.3 上位机软件设计52-54
• 4.4 本章小结54-56
• 5 USB3.0 接口在机载数据存储系统中的应用56-72
• 5.1 系统总体设计56-62
• 5.1.1 数据记录仪主要芯片选择57-59
• 5.1.2 USB接口方案分析59-62
• 5.2 USB3.0 高速数据传输接口设计62-69
• 5.2.1 数据记录仪与FX3的连接设计62-65
• 5.2.2 FX3固件程序设计65-67
• 5.2.3 FPGA程序设计67-69
• 5.3 系统测试及分析69-71
• 5.3.1 实验数据分析69-70
• 5.3.2 USB3.0 设备端测试70-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 总结72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果78-79
• 致谢79-80

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