FPGA: Comunicazione ad alta velocità tramite USB 2.0 (prima parte)

Uno dei principali problemi in sistemi composti da FPGA e PC è stabilire una comunicazione semplice, veloce ed affidabile. Vediamo in questo articolo come aggiungere alla scheda di sviluppo DE0-Nano il supporto USB Hi-Speed (fino a 480 MBit/s teorici) per aprire nuovi scenari di sviluppo come l’acquisizione ed elaborazione di dati ad alta velocità.

La scheda di sviluppo DE0-Nano dispone di due pin header superiori da 40 pin (2x20) che permettono l’espansione della scheda.

Utilizzeremo l’header GPIO-1 per collegare la scheda di sviluppo UM232H basata sull’IC FT232H di FTDI che offre una comunicazione USB 2.0 tramite un’interfaccia FIFO sincrona ad 8 bit di semplice utilizzo che offre trasferimenti fino a 40 MBytes/s. Da prove pratiche in alcuni casi, sfruttando vari buffer, si sono misurate velocità di trasferimento addirittura superiori.

Sopra il diagramma a blocchi del chip FT232H, tra le altre funzionalità è possibile notare un buffer di 1K Bytes in ricezione e trasmissione

Lo schema del modulo di espansione è abbastanza semplice, non contiene elementi aggiuntivi e collega la scheda FPGA a quella USB 2.0 impostando tramite i collegamenti l’alimentazione del modulo UM232H in modalità self-powered, ovvero alimentata tramite la scheda DE0-Nano e non dalla porta USB.

Il consumo del modulo UM232H è molto contenuto, circa 60mA ma solamente quando collegato tramite USB al PC, rendendolo appetibile anche in applicazioni alimentate a batteria. A PC scollegato il consumo del modulo è non rilevante in quanto in stand-by grazie al pin PWRSAV#.

Sotto un’immagine del prototipo del modulo USB 2.0, realizzato tramite Toner Transfer, collegato alla scheda di sviluppo.

Configuriamo il modulo UM232H

Una volta realizzato il modulo di espansione e collegato al PC tramite il programma FT Prog è possibile configurare la EEPROM a bordo dell’UM232H contenente le configurazioni del modulo.

In particolar modo impostiamo nella pagina USB Config Desciptor il dispositivo come Self Powered, selezioniamo inoltre il canale come 245 FIFO ed il Driver come D2XX Direct come mostrato nelle seguenti immagini:

Il driver Virtual COM Port seppur permetta di sostituire senza sforzo vecchie porte seriali nei software dove previste non permette di raggiungere velocità elevate. D2XX offre un’API semplice ed efficiente, disponibile sia in C/C++ sia in linguaggi come C#.

Prossimamente vedremo come realizzare il software lato PC e come programmare la FPGA per realizzare una semplice applicazione di LoopBack (es. un file inviato alla FPGA e ritrasmesso al PC) al fine di verificare il funzionamento del tutto.

Vi lascio per il momento solamente un’altra immagine..

A presto