基于嵌入式系統(tǒng)的USB to UART通信設計方案

　　3 軟硬件設計

　　實際上應用工程師并不需要了解如此多的關于USB的底層內(nèi)容和協(xié)議。只要基本掌握和看懂圖1所示的原理，借助PSoC：USB和USBUART，就可以在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)基于USB接口的PC與嵌入式系統(tǒng)的連接通信。下面具體介紹該方案的軟硬件設計和實現(xiàn)。

　　3.1 硬件設計

　　圖2是采用CY7C64215實現(xiàn)該方案的原理圖。

　　圖中的CY7C64215是帶有1個全速USB接口的PSoC芯片，左邊的USB—B為USB連接座，其中D+和D一為2個USB信號線，通過 2個51 Ω電阻與CY7C64215的2個USB引腳D+和D一連接。整個系統(tǒng)電源是通過USB連接座上的5 V引腳獲取，即由PC機的USB口提供工作電源。需要特別注意的是，電路中使用了1片電壓調(diào)整芯片，將從USB口上輸入的5 V電壓調(diào)整為3.6 V后，再作為CY7C64215的工作電源。這是因為USB協(xié)議中規(guī)定了USB信號線D+和D一的電平為O～3.6 V，CY7C64215采用3.6 V的工作電壓是為了保證USB信號線的電平匹配。如果CY7c64215直接使用5 V電源工作，那么在D+和D一信號線上必須對地增加2個3.6 V穩(wěn)壓二極管，分別將它們鉗位在3.6 V，這樣才能保證PC正確識別該USB設備和USB通信的正常。

　　圖中右邊的ISSP為PSoC的編程下載口，PSoC器件支持ISSP在線串行下載，編譯生成的HEX文件可以通過該編程口燒錄到PSoC內(nèi)部的Flash中。圖中的LED是USB工作指示燈，在USB通信過程中會閃爍。

　　3.2 PSoC軟件系統(tǒng)設計過程

　　軟件系統(tǒng)設計過程全部是在PSoC的集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer 5中完成的。首先建立1個新的項目，選擇帶有USB接口的CY7C64215芯片。在芯片中選擇添加USBUART用戶模塊，并為該模塊填寫相應的參數(shù)。表1給出了USBUART的幾個參數(shù)及意義，其中MaxPower僅當選擇設備由USB總線供電時有效。

　　在這個示例中，除了選擇必需的USBUART用戶模塊外，還選擇使用了1個LED用戶模塊，該模塊用于控制LED指示USB的工作狀態(tài)。根據(jù)硬件電路，配置該模塊的輸出為CY7C64215的P1_2引腳，用于驅(qū)動LED。

　　選擇配置完2個用戶模塊后，就可讓PSoC Designer生成應用程序框架了。在這個過程中，PSoC Designer會自動綜合所有的配置信息，更新和產(chǎn)生所使用用戶模塊的底層匯編語言驅(qū)動代碼和API函數(shù)，并同時生成一個C語言的主程序框架。

　　接下來就是編寫USBUART設備的上層應用程序代碼了。在PSoC Designer中，打開已經(jīng)生成的main.c主程序，添加如下所示的簡單代碼：

　　這段簡單的C代碼功能首先啟動LED和USBUART用戶模塊工作，開放CPU的中斷允許，然后等待USB初始化。USB接口初始化成功(與 PC連接成功)后，程序開始循環(huán)查詢和接收PC下發(fā)的數(shù)據(jù)，然后將收到的數(shù)據(jù)再回送給PC，同時控制LED的閃爍，從而實現(xiàn)簡單的、可作為USBUART 設備性能測試的Echo功能。

　　最后編譯整個系統(tǒng)程序，生成HEX文件，通過ISSP下載燒錄到CY7C64215中。整個軟件系統(tǒng)設計過程便告完成。

　　3.3 USBUART的連接與測試

　　使用l根普通的USB延長連接線，將CY7C64215的USB口連接到PC機的USB口上，PC顯示發(fā)現(xiàn)新的USB設備，并提示安裝驅(qū)動。 USBUART設備的驅(qū)動程序是PSoC Designer自動生成的，保存在工程文件目錄的L1B子目錄下，文件名為USBUART_XP_Vista.inf(或US—BUART.inf)。用戶只要按照提示的要求，選擇這個USB設備文件就可以安裝USBUART的驅(qū)動了。打開PC機的硬件配置，會發(fā)現(xiàn)PC的硬件設備中多了1個COM口。

　　接下來的測試是在PC機上打開串口調(diào)試工具(如超級終端)，連接到該COM口，然后手動發(fā)送1個任意字符。CY7C64215控制的LED則開始閃爍，在超級終端上也同時收到由USBUART回送的該字符。

　　更進一步的測試是，將超級終端的波特率設置成115 200 bps，每隔1 ms自動發(fā)送1個字符。此時CY7C64215控制的LED全亮(由于閃爍間隔時間太短)，超級終端也會連續(xù)收到字符。通過對比在超級終端中發(fā)送和接收到的字符個數(shù)是否相同，可以驗證是否丟失數(shù)據(jù)。

　　4 總 結(jié)

　　RS232是單個設備接入計算機時最常采用的一種方式，由于其通信規(guī)程協(xié)議比較簡單，很多傳統(tǒng)的儀器設備和嵌入式系統(tǒng)都采用了這種通信方式。將 USB轉(zhuǎn)UART技術應用于嵌入式系統(tǒng)與.PC機之間的數(shù)據(jù)通信，在計算機上產(chǎn)生1個虛擬的COM口，用戶只需像使用通用串行口一樣使用USB口即可。這樣不僅能使嵌入式系統(tǒng)具備USB通信的諸多優(yōu)點，簡化了USB編程，同時還可以利用USB對嵌入式系統(tǒng)提供5 V的電源(500 mA以下)。而PSoC USB和USBUART則提供了非常方便和快捷的實現(xiàn)方法，并具備以下幾個特點。

　　該方案使得工程師能夠繞過復雜的USB底層接口和協(xié)議，采用簡便的RS232(UART)方式進行上層系統(tǒng)設計，繼承了傳統(tǒng)方案的優(yōu)點，不會給設計人員帶來困難。同采用配置1根“USB to RS232”轉(zhuǎn)換電纜的方案相比，USBUART的硬件設計和結(jié)構(gòu)更為簡單，物理接口占用的空間也大大減小。在電路上不僅省掉了UART與RS232的電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)(MAX232)，還可以使一些小型、微型的嵌入式系統(tǒng)直接采用由PC機的USB口供電的工作方式，進一步省掉了電源系統(tǒng)，有效降低了整個系統(tǒng)的硬件成本。

　　USBUART本身還提供了20多個應用編程接口(API)子程序，它們作為該用戶模塊的一部分，使設計人員只需要在更高層次上與USBUART模塊打交道。而且CY7C64215、CY8C24x94除了具備USB端口外，還含有多個可編程配置的數(shù)字和模擬模塊、32 KB的Flash、1 KB的SRAM、2個8×8的乘法器、1個32位加法器、超過56個可編程的I/O(CY8C24x94)等強大的資源。僅僅1片芯片，不但可以實現(xiàn)基于 USB的通信，還可以同時完成各種不同的模擬和數(shù)字，以及模數(shù)混合的應用(如CapSense、CY8C24x94)。

　　本方案非常適合在設計新的產(chǎn)品和系統(tǒng)時采用，作者已經(jīng)成功地將其融入到多個新設計的系統(tǒng)和產(chǎn)品中使用。