基于嵌入式系統(tǒng)的USB to UART通信設(shè)計(jì)方案

　　1 概 述

　　RS232(UART)接口是一種簡(jiǎn)單、方便和實(shí)用的通信接口，用途非常廣泛。在許多嵌入式應(yīng)用，如智能儀器儀表、電子設(shè)備中，均使用RS232與PC機(jī)等外部系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制及數(shù)據(jù)交換等。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，通常也是通過(guò)RS232，將調(diào)試數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上顯示出來(lái)。

　　但在PC機(jī)領(lǐng)域，RS232(COM)串行接口已經(jīng)從最新一生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)，尤其是筆記本電腦中消失了，而串行接口USB成為了標(biāo)準(zhǔn)的配置。這種變化給硬件工程師帶來(lái)了不少麻煩。

　　目前通常的解決辦法是購(gòu)置一根“USB to RS232”轉(zhuǎn)換電纜，其基本作用是在USB總線上仿真出一個(gè)RS232端口。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：PC應(yīng)用程序?qū)⒃揢SB口連接當(dāng)作COM口連接使用，從而可以使工程師輕松跨越復(fù)雜的USB低層接口協(xié)議，仍使用原來(lái)熟悉的，針對(duì)COM口操作的方式編寫(xiě)程序代碼。

　　本文將介紹另外一種與上述方法原理類(lèi)似的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)備之間的外表連接全部換成了USB標(biāo)準(zhǔn)物理接口和連接電纜，但在PC上仍然使用針對(duì)COM口操作的方式編寫(xiě)程序代碼，保留了原來(lái)的風(fēng)格。該方案是采用Cypress公司PSoC家族中帶USB接口的CY7C64215(或CY8C24x94)芯片實(shí)現(xiàn)的。

　　2 PSoC、PSoC USB和USBUART

　　2.1 PSOC

　　可編程片上系統(tǒng)(Prograromable System on Chip，PSoC)，是Cypress公司近幾年推出的一種新型的可編程半導(dǎo)體器件芯片。PSoC由8位微處理器內(nèi)核，多個(gè)可編程的模擬模塊和數(shù)字模塊，硬件乘法累加器，以及I2C、Flash、SRAM等周邊外圍資源組成。因此，PSoC除了能實(shí)現(xiàn)一般MCU的功能外，還可通過(guò)可編程模擬和數(shù)字模塊，靈活地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)所需的多種模擬與數(shù)字外圍功能。PSoC集三種可編程能力于一體，不僅具有MCU的可編程能力，還包含了部分可編程邏輯運(yùn)算功能，同時(shí)提供了可編程模擬陣列。通過(guò)對(duì)寄存器的配置或控制，三者之間還可以協(xié)調(diào)工作，是具有真正的混合信號(hào)處理能力的可編程片上系統(tǒng)。

　　PSoC中的數(shù)字資源(如定時(shí)器、PWM、UART等)和模擬資源(如放大器、比較器、濾波器等)是以數(shù)字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號(hào)PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數(shù)字模塊和模擬模塊的數(shù)量不同。用戶可根據(jù)特定需求來(lái)定義這些模塊。

　　PSoC的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Designer也預(yù)先為用戶定義了近百個(gè)常用的數(shù)字和模擬資源配置模塊。這些預(yù)定義的模塊稱為用戶模塊，如數(shù)字資源有定時(shí)器、PWM、UART、 SPI、CRC、PRS等，模擬資源有放大器、比較器、濾波器等，ADC則由若干數(shù)字模塊和模擬模塊組合而成。這使得PSoC開(kāi)發(fā)人員無(wú)需通過(guò)設(shè)置寄存器來(lái)構(gòu)建這些周邊設(shè)備，只需在PSoC Designer中選擇和放置所需的用戶模塊并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。PSoC Designer不僅能配置用戶模塊，還為用戶創(chuàng)建了低層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并提供使用這些用戶模塊的API函數(shù)供用戶編程時(shí)調(diào)用。這種新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使工程師可以把主要精力集中在上層系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)工作中，極大地方便了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

　　2.2 PSoC USB

　　PSoC系列中的CY7C64215、CY8C24x94芯片不僅具備上述PSoC的功能和特點(diǎn)，還包括了一個(gè)功能完善的全速(12 Mbps)USB端口。PSoC的USB端口資源符合USB2.O規(guī)范，是一個(gè)可以工作在12 Mbps速度下的全速器件，具備1個(gè)上行端口和1個(gè)USB地址的規(guī)范要求。PSoC USB包括1個(gè)串行接口引擎(SIE)，1個(gè)PSoC存儲(chǔ)器仲裁器(PMA)，256B的專(zhuān)用SRAM，1個(gè)帶有內(nèi)部調(diào)節(jié)器的全速USB收發(fā)器以及2個(gè)專(zhuān)用USB引腳。

　　USB SIE支持5個(gè)端點(diǎn)，包括1個(gè)控制端點(diǎn)(端點(diǎn)0)和4個(gè)數(shù)據(jù)端點(diǎn)(端點(diǎn)1、2、3和4)?？刂贫它c(diǎn)經(jīng)過(guò)配置可支持SETUP、IN和OUT請(qǐng)求。數(shù)據(jù)端點(diǎn)可分別獨(dú)立配置，從而響應(yīng)中斷、批傳輸、同步IN或OUT請(qǐng)求等。SIE使PSoC器件能與USB主機(jī)實(shí)現(xiàn)全速通信，并可自動(dòng)完成以下USB處理任務(wù)，無(wú)需固件干預(yù)，從而簡(jiǎn)化了USB流量接口的工作。

　?、賹⒔邮盏降木幋a數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將總線上要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式化。

　?、谏蒀RC校驗(yàn)和。忽略那些傳送進(jìn)來(lái)的未通過(guò)校驗(yàn)和驗(yàn)證的數(shù)據(jù)包。

　?、鄣刂窓z查。忽略所有地址未指向器件的事務(wù)。

　?、馨l(fā)送適當(dāng)?shù)腁CK/NAK/Stall握手信號(hào)。

　?、葑R(shí)別標(biāo)記類(lèi)型(SETUP、IN、OUT)，一旦接收到有效的標(biāo)記，即設(shè)置適當(dāng)?shù)臉?biāo)記位。

　?、拮R(shí)別幀起始(S()F)并保存幀的數(shù)量。

　?、咄ㄟ^(guò)PSoC存儲(chǔ)器仲裁器向USB SRAM發(fā)送數(shù)據(jù)，或從USB SRAM接收數(shù)據(jù)。

　　PSoC存儲(chǔ)器判優(yōu)器(PMA)是PSoC USB專(zhuān)用SRAM與數(shù)據(jù)SRAM的2個(gè)內(nèi)存塊(USB SIE與M8C)之間的接口。PMA可提供8個(gè)通道用于傳輸數(shù)據(jù)。M8C可使用所有的通道寄存器，但4個(gè)非控制USB端點(diǎn)分別由PMA通道寄存器的特定集來(lái)分配。

　　PSoC USB系統(tǒng)資源包含專(zhuān)用的256 B SRAM，其與PSoC內(nèi)核中所用的SRAM頁(yè)相同，但不能通過(guò)M8C存儲(chǔ)器操作指令存取。PSoC USB的專(zhuān)用SRAM只能通過(guò)PMA寄存器進(jìn)行存取。

　　內(nèi)部USB收發(fā)器與外部USB總線相連，根據(jù)USB2.O規(guī)范收發(fā)信號(hào)。在正常的USB操作狀態(tài)下，收發(fā)器直接與SIE連接，初始化之后無(wú)需與用戶互動(dòng)。

　　就系統(tǒng)級(jí)而言，PSoC的全速USB系統(tǒng)資源通過(guò)M8C寄存器訪問(wèn)指令進(jìn)行操作配置，實(shí)現(xiàn)與PSoC其他部分的連接，并通過(guò)2個(gè)USB引腳與外部相連。

　　2.3 USBUART用戶模塊

　　USBUART用戶模塊是PSoC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoCDesigner中專(zhuān)門(mén)為用戶使用PSoC USB預(yù)先定義的自動(dòng)配置資源。USBUART實(shí)現(xiàn)了USB設(shè)備功能，并利用PSoC的1個(gè)USB端口來(lái)仿真1個(gè)COM端口，同時(shí)在PSoC器件側(cè)提供了類(lèi)似于UART的高層API函數(shù)。因此利用該用戶模塊可以方便地替代傳統(tǒng)的基于RS232(UART)接口的通信方案。2種方案的對(duì)比如圖1所示。

　　USBUART是在PSoC的USB端口基礎(chǔ)上，在USB總線上仿真RS232端口。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于，PC的上層應(yīng)用程序?qū)⒋薝SB設(shè)備仍舊看作是1個(gè)COM連接，從而使上層操作非常易于實(shí)現(xiàn)。這種方法可以使用在從Windows 98SE到Windows XP所有版本的MicrosoftWindows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)COM口驅(qū)動(dòng)程序——MSC0M控件來(lái)編寫(xiě)的應(yīng)用程序中。

　　USB通信設(shè)備類(lèi)(CDC)規(guī)格定義了許多通信模型，其中包括了1個(gè)在USB上實(shí)現(xiàn)串行通信仿真的抽象控制模型。Microsoft Windows USB調(diào)制解調(diào)器的驅(qū)動(dòng)程序usbser.sys符合此規(guī)格。

　　在一臺(tái)新的USB設(shè)備第一次連接到一臺(tái)WindowsPC時(shí)，Windows將要求用戶提供驅(qū)動(dòng)程序。Windows2000及以后版本在安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要一個(gè)INF文件。Windows沒(méi)有為這個(gè)usbser.sys驅(qū)動(dòng)程序提供標(biāo)準(zhǔn)的INF文件。為了安裝能夠在USB上仿真RS232的設(shè)備，用戶必須提供一個(gè)能夠?qū)⒏郊拥脑O(shè)備映射到MicrosoftCDC驅(qū)動(dòng)程序的INF文件。USBUART用戶模塊會(huì)自動(dòng)生成這個(gè)必要的INF文件，建立在工程項(xiàng)目的LIB文件夾內(nèi)供使用。在提供了INF文件后，驅(qū)動(dòng)程序允許USB1設(shè)備仿真成1個(gè)USB端口。

　　PC上面向COM口終端應(yīng)用程序中的設(shè)置(波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位和流控制)都不會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，因?yàn)榇藭r(shí)的COM口實(shí)際是 USB設(shè)備，使用USB協(xié)議來(lái)控制數(shù)據(jù)流。但是，除了流控制以外的COM口終端設(shè)置值，在PSoC端可以采用特定的API函數(shù)調(diào)用檢索到，以便在需要時(shí)用于真正的RS232設(shè)備。