如何設計USB接口的RS485信號模擬器？

引 言

USB總線(xiàn)是一種高效、快速、價(jià)格低、體積小、支持熱插拔的串行通信接口，目前USB這一接口形式在電子產(chǎn)品的設計中得到了廣泛應用。本文所設計的 RS485信號模擬器就是采用USB接口總線(xiàn)，可以很方便與PC機進(jìn)行連接，并且USB接口可以為外界提供電源。 RS485是一種平衡方式傳輸的串行接口標準，它的電氣特性標準中有嚴格規定，但它的通信協(xié)議可以由用戶(hù)自行定義。本文將詳細討論USB總線(xiàn)信號與 RS485總線(xiàn)信號的相互轉換，及PC機終端應用軟件對USB接口芯片的各種操作。在此基礎上用戶(hù)可以根據不同需求，在終端應用軟件中自行設計通信協(xié)議。

1 總體設計

信號模擬器主要包括USB接口芯片、單片機子系統、RS485與TTL電平轉換子系統。它可以實(shí)現兩個(gè)功能：a.信號模擬器通過(guò)應用程序軟件設置串行通信參數和數據幀結構，最終輸出的信號是指定串行通信參數和數據幀格式的RS485總線(xiàn)數據，可以為采集器提供標準信號源;b.在信號模擬器內部可以實(shí)現信號自反饋功能，即將實(shí)際發(fā)送給采集器的數據通過(guò)信號模擬器內部回環(huán)電路回送給終端應用程序軟件并最終顯示出來(lái)，以驗證信號模擬器發(fā)送數據是否正確。

USB接口芯片FT245R是將USB接口信號轉換成8位并行信號，由MCU讀取8位并行信號數據，然后MCU通過(guò)全雙工的串口將讀到的數據發(fā)送給 RS485電平轉換電路1，這樣輸出的信號就是滿(mǎn)足指定要求的標準RS485總線(xiàn)信號。將RS485電平轉換電路1輸出端信號反饋給RS485電平轉換電路2的輸人端，這樣可以把RS485電平轉換成TTL電平，再通過(guò)全雙工的串口進(jìn)行接收，最終將數據回送到終端應用程序軟件。信號模擬器的設計總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 USB接口芯片FT245R

FT245R由FTDI(Future Technology Devices Inte-national Ltd.)公司推出，該芯片主要完成USB串行總線(xiàn)和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉換。整個(gè)USB通信協(xié)議全部由芯片自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)須考慮底層固件的編程。該芯片利用內部集成的時(shí)鐘電路進(jìn)行工作，無(wú)須外部提供時(shí)鐘;完全兼容USB2.O協(xié)議。它有256字節的接收緩沖區和128個(gè)發(fā)送緩沖區，可以進(jìn)行數據的大吞吐量操作。通過(guò)8位并行數據口D[O：7]和4位讀寫(xiě)狀態(tài)/控制口RXF、TXE、RD、WR就可實(shí)現與微控制器的數據交換。

下面介紹讀寫(xiě)FT245R FIFO操作時(shí)序要求。

(1)FT245R FIFO讀操作

讀操作時(shí)序如圖2所示。當RXF為低，表示當前FIFO接收緩沖區內有數據，可以執行讀操作讀取接收緩沖區數據。在RD電平由高變低，FIFO控制器將接收緩沖區中的數據輸出到8位數據端口上，MCU此時(shí)只需讀取I/O口就可以將數據取到內部數據總線(xiàn)上來(lái)，再將RD信號拉高完成1字節數據的讀取。當將 FIFO接收緩沖區中的數據全部取出后，RXF被拉高表示數據為空。在RXF為高時(shí)，禁止從FIFO接收緩沖區讀取數據。

(2)FT245R FIFO寫(xiě)操作

寫(xiě)操作時(shí)序如圖3所示。當TXE為低，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區空，可以向發(fā)送緩沖區寫(xiě)入數據。在WR為高電平時(shí)，MCU將8位數據D[0：7]送到并行I/O口上，在WR信號電平由高變低時(shí)數據被寫(xiě)入發(fā)送緩沖區中。當TXE為高時(shí)，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區已滿(mǎn)或者正在寫(xiě)入上一個(gè)字節，此時(shí)禁止向發(fā)送緩沖區中寫(xiě)入任何數據。MCU向FT245R寫(xiě)入數據時(shí)應確保TXE為低。

2.2 單片機子系統

單片機子系統包括單片機和上電復位芯片。本設計中采用的單片機是AT89S52。 AT89S52作為系統的中央處理器擔負著(zhù)系統和PC主機的通信、系統內各部件正常工作等重要任務(wù)。AT89S52這款單片機內部有看門(mén)狗電路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飛。為了使單片機上電復位可靠，這里采用專(zhuān)門(mén)的復位芯片MAX708。

2.3 RS485接口電路設計

信號經(jīng)過(guò)單片機的UART接口，再經(jīng)過(guò)MAX485轉換即構成了RS485通信接口。

2.4 硬件電路圖

USB接口可以向外提供電源。USB接口規范規定：可提供電源電壓為4.75～5.25 V，低輸出功率USB端口最大的輸出電流為100mA。信號模擬器所需的供電電壓和電流滿(mǎn)足USB接口電源指標，因此采用USB接口為信號模擬器提供電源。

編者注：信號模擬器的電路原理圖見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

3 軟件設計

軟件的設計主要包括單片機程序的設計和PC機終端應用程序的設計。

3.1 單片機程序設計

單片機程序采用C語(yǔ)言編程，程序結構清晰，可讀性和可維護性高。

3.1.1 單片機讀寫(xiě)FT245R FIFO緩沖區程序

單片機通過(guò)P0口來(lái)讀寫(xiě)FT245R FIFO緩沖區中的數據。P0口作為數據總線(xiàn)，讀數據前，須向P0口全寫(xiě)1，這樣才能正確讀取數據。FT245R FIFO緩沖區讀寫(xiě)時(shí)序要求如前文所述。MCU讀寫(xiě)FT245R緩沖區程序如下：

3.1.2 單片機流程控制

MCU負責USB接口芯片FT245R的數據發(fā)送接收控制，單片機串口配置及串口接收發(fā)送任務(wù)。

整個(gè)程序的流程分為以下幾個(gè)步驟：

①單片機和FT245R的初始化，啟動(dòng)看門(mén)狗程序。

②對FT245R接收緩沖區有無(wú)數據進(jìn)行判斷，若無(wú)數據，喂狗;若有數據，轉向步驟③。

③對幀信息類(lèi)型進(jìn)行判斷，若為命令配置幀，則讀取FT245R接收緩沖區數據，然后對串口進(jìn)行配置;若為數據幀，轉向步驟④。

④串口數據發(fā)送接收采用查詢(xún)方式，MCU讀取FT245R接收緩沖區的1字節，然后通過(guò)串口進(jìn)行發(fā)送。

⑤判斷串口發(fā)送和接收是否完畢，若完成，將接收到的數據寫(xiě)入到FT245R發(fā)送緩沖區中;若未完成，喂狗，斷續執行⑤。