USB轉RS232通訊接口原理

一、引言
USB作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外設到計算機的連接更加高效、便利.這種接口適合于多種設備，不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點(diǎn)，還能同時(shí)連接多達127個(gè)設備,解決了如資源沖突、中斷請求(IRQs)和直接數據通道(DMAs)等問(wèn)題.因此，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)者欲在自己的產(chǎn)品中使用這種標準接口。而RS-232是單個(gè)設備接入計算機時(shí)，常采用的一種接入方式，其硬件實(shí)現簡(jiǎn)單，因此在傳統的設備中有很多采用了這種通信方式。

二、USB系統概述
USB規范描述了總線(xiàn)特性、協(xié)議定義、編程接口以及其它設計和構建系統時(shí)所要求的特性。USB是一種主從總線(xiàn),工作時(shí)USB主機處于主模式,設備處于從模式。USB系統所需要的唯一的系統資源是，USB系統軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間(I/O地址空間)和中斷請求(IRQ)線(xiàn)。USB設備可以是功能性的如顯示器、鼠標或者集線(xiàn)器之類(lèi).它們可以作低速或者高速設備實(shí)現。低速設備最大速率限制在1.5 Mb/s，每一個(gè)設備有一些專(zhuān)有寄存器,也就是端點(diǎn)(endpoint) 在進(jìn)行數據交換時(shí),可以通過(guò)設備驅動(dòng)間接訪(fǎng)問(wèn)它。每一個(gè)端點(diǎn)支持幾種特殊的傳輸類(lèi)型，并且有一個(gè)唯一的地址和傳輸方向。不同的是端點(diǎn)0 僅用作控制傳輸，并且其傳輸可以是雙向的。系統上電后,USB主機負責檢測設備的連接與拆除、初始化設備的列舉過(guò)程,并根據設備描述表安裝設備驅動(dòng)后自動(dòng)重新配置系統，收集每個(gè)設備的狀態(tài)信息。設備描述表標識了設備的屬性、特征并描述了設備的通信要求.USB主機根據這些信息配置設備、查找驅動(dòng),并且與設備通信。典型的USB數據傳輸是由設備驅動(dòng)開(kāi)始的，當它需要與設備通信時(shí),設備驅動(dòng)提供內存緩沖區，用來(lái)存放設備收到或者即將發(fā)送的數據。USB驅動(dòng)提供USB設備驅動(dòng)和USB主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為USB事務(wù)，轉化時(shí)需要與帶寬要求及協(xié)議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數據構成的，這時(shí)需要先將它劃分為幾個(gè)事物再進(jìn)行傳輸。具有相似功能的設備可以組成一類(lèi)，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設備驅動(dòng)程序。每個(gè)類(lèi)可以定義其自己的描述符，如：HID類(lèi)描述符和Report描述符.HID類(lèi)是由人控制計算機系統的設備組成的，它定義了一個(gè)描述HID設備的結構，并且表明了設備的通信要求。HID設備描述符必須支持端點(diǎn)輸入中斷，固件也必須包括一個(gè)報告描述符,表明接收和發(fā)送數據的格式。在IC卡門(mén)禁考勤系統引入RS-232到USB的接口轉換模塊后，從系統所具有的特性來(lái)看,應該屬于HID設備。因此兩種特殊的HID類(lèi)請求必須被支持：SetReport和GetReport .這些請求使設備能接收和發(fā)送一般的設備信息給主機。在沒(méi)有中斷輸出終端時(shí)，SetReport是主機發(fā)送數據給HID設備的唯一方式。

　　三、系統要求
為了實(shí)現IC卡門(mén)禁考勤系統中RS-232-USB的接口轉換,需要1臺支持USB的主機，同時(shí)還要提供主機上用于與外設通信的驅動(dòng)，一般由操作系統提供。此外，還需開(kāi)發(fā)在主機上執行的客戶(hù)端應用程序。在設備端需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及編寫(xiě)主控制器上執行的USB通信代碼和用于執行外設功能的相關(guān)代碼。
　　1、主機要求
　　主機必須能夠通過(guò)設備驅動(dòng)接收USB數據，并且使這些數據對處理這些請求的應用程序有效。在主機中必須有一個(gè)驅動(dòng)負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發(fā)數據；同時(shí)，還需要有一個(gè)設備驅動(dòng)-虛擬化串行口，仿效真實(shí)的串口.這個(gè)驅動(dòng)必須能夠像真實(shí)的串口接收和發(fā)送USB數據。
　　從應用的觀(guān)點(diǎn)，設備驅動(dòng)必須能收發(fā)數據，可以通過(guò)使用一個(gè)虛擬化的串口或通過(guò)轉化為USB 數據實(shí)現。微軟提供了一個(gè)叫作USB POS的設備驅動(dòng)，它允許應用程序訪(fǎng)問(wèn)USB設備時(shí)，好像它們連接到標準串口上一樣。系統大致結構方框圖如圖1所示。

2、設備要求
　　在定義即將使用的微控制器時(shí)，必須說(shuō)明一些通信要求，如:通信速率、頻率、傳輸的數據量等?？紤]到IC卡門(mén)禁考勤系統有效的通信速率，可以把轉換器作為一個(gè)低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100 Kb/s的范圍變化?？紤]到傳輸的數據量和傳輸的頻率，此系統中使用中斷的傳輸類(lèi)型，中斷傳輸可以在2個(gè)方向進(jìn)行，但不能同時(shí)進(jìn)行，這種類(lèi)型的傳輸要求在規定的時(shí)間里完成相當大數據量的傳輸任務(wù)。
　　對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發(fā)，操作系統提供了HID驅動(dòng)，允許使用中斷傳輸模式。對于低速設備的一個(gè)事務(wù)，中斷傳輸最大的包容量是8字節，如果需要發(fā)送大量的數據。則必須把它分割為很多事務(wù)。
　　轉換模塊要定義的另一個(gè)特性是所需端點(diǎn)數。如上所述，端點(diǎn)是微控制器在USB通信過(guò)程中所用來(lái)發(fā)送和接收數據的緩沖區。此系統中，該轉換器定義了2個(gè)端點(diǎn)：一個(gè)端點(diǎn)(端點(diǎn)0)用來(lái)控制傳輸，另一個(gè)端點(diǎn)是中斷輸入端點(diǎn)，定義為發(fā)數據給PC機。
　　根據以上要求，通過(guò)研究比較現有的微控制器，考慮到如內存空間、價(jià)格和開(kāi)發(fā)包等因素，我們選用Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C*XX/5XX。它使用哈佛總線(xiàn)結構，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價(jià)解決方案。

圖2為IC卡門(mén)禁考勤系統USB通信實(shí)現硬件方框原理圖。