USB接口在串行通信中的應用

摘要：介紹USB接口在串行通信中的應用，討論USB接口同RS-232接口的轉換以及USB接口modem的簡(jiǎn)化設計，并給出了實(shí)際中的產(chǎn)品樣圖。

關(guān)鍵詞：USB RS-232 通訊類(lèi) UniModem

1 USB接口簡(jiǎn)介

USB即通用串行總線(xiàn)，可以實(shí)現熱插拔，采用菊花鏈結構，最多可以同時(shí)連接127臺設備，由總線(xiàn)提供電源，并有檢錯、糾錯功能以保證數據正確傳輸。

USB在PC機上應用時(shí)，PC機的操作系統需要支持USB協(xié)議，此時(shí)PC機上的軟件包括兩部分：USB初始化軟件和運行部分。前者對外設進(jìn)行構造并定義一個(gè)唯一的標識，這就是所謂的列舉過(guò)程，以獲得每個(gè)外設的描述表。

另外USB主機端軟件分層為多種外設的類(lèi)，如大存儲器外設、通訊外設、音頻外設、人機接口外設等。

USB數據線(xiàn)傳送差分信號，所有通信由根集線(xiàn)器初始化，并由外部集線(xiàn)器復制，其連接為點(diǎn)到點(diǎn)，采用半雙工。USB數據線(xiàn)上無(wú)時(shí)鐘信號，故節點(diǎn)間為異步通訊，總線(xiàn)上所有外設的額定通信速率為12MHz，外設采用過(guò)采樣方式從總線(xiàn)上接收信號。接收器依賴(lài)于有規律的信號變化以保持與發(fā)送器的同步，USB規格書(shū)中采用不歸零翻轉實(shí)現其數據線(xiàn)的發(fā)送編碼。

2 USB到RS-232轉換器

RS-232是個(gè)流行的接口。在MS-DOS中，四個(gè)串行接口稱(chēng)為COM1、COM2、COM3和COM4，而約大部分windows應用程序最多可以有4個(gè)外設，但是如果用戶(hù)要擴充更多外設時(shí)，就必須要用插入式串行卡或者外部開(kāi)關(guān)盒實(shí)現。

RS-232點(diǎn)對點(diǎn)連接，一個(gè)串口只能連接一個(gè)外設。而USB是一種多點(diǎn)、高速的連接方式，采用集線(xiàn)器能實(shí)現更多的連接。USB接口的基本部分是串行接口引擎SIE，SIE從USB收發(fā)器中接收數據位，轉化為有效字節傳送給SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字節轉化為串行位送到USB總線(xiàn)。

圖1為轉換器加串行外設示意圖。在轉換器和外設接收器端各有一個(gè)微控制器，實(shí)際上這兩個(gè)微控制器可以合并，可采用MCS-51系列控制器或者I2C總線(xiàn)微控制器實(shí)現。

圖2為使用外部USB連接的微控制器示意圖，通用微控制器選用MCS-51，USB外圍芯片是Philips的PDIUSBD11，該芯片帶有I2C接口，其SIE接口包括一個(gè)中斷和一個(gè)較大寄存器，用于對I2C總線(xiàn)的存取。當一個(gè)數據包來(lái)到時(shí)，PDIUSBD11將其中斷線(xiàn)拉低，微控制器轉和中斷處理程序，首先讀取PDIUSBD11的中斷狀態(tài)寄存器，然后再讀取其他寄存器的值，以獲得數據包類(lèi)型和包中數據。每次傳送完一個(gè)數據包均會(huì )產(chǎn)生一次中斷請求，中斷處理程序監視控制序列并檢測所有錯誤。

3 用USB連接56kbps modem設計

USB協(xié)議中包括一個(gè)通信類(lèi)，定義了一種結構，以囊括所有用于遠程通信服務(wù)和中速網(wǎng)絡(luò )服務(wù)設備。這樣，外設就可以將自身標識為一個(gè)通信類(lèi)的外設。

3.1 傳統的modem結構

傳統modem一般包括：

·微控制器：以對控制碼譯碼（AT命令集）

·數字信號處理器（DSP）：對信號調制和解調

·模擬調制和解調電路

·數據存取管理電路

·隔離器：將高電壓或高電流隔離電話(huà)線(xiàn)

3.2 簡(jiǎn)化設計

由于PC機串口的最高速率為115.2kbps，這樣在圖3的結構會(huì )形成一個(gè)速度瓶頸。RS-232系統包括2個(gè)串行信號路徑，其方向相反，分別用于傳輸命令和數據，而命令和狀態(tài)必須與數據交織在一起；而USB支持分離的命令和數據通道并允許獨立的狀態(tài)報告。

在Windows操作系統中，通信層的UniModem驅動(dòng)程序（圖4所示）可以實(shí)現modem命令集。微軟的VCOMM口驅動(dòng)軟件可以重新定位原先面向串行口的輸出，將之直接傳給Windows外設驅動(dòng)模塊（WDM-Windows Device Driver Model）的類(lèi)驅動(dòng)器，由WDM類(lèi)驅動(dòng)器將輸出送到USB外設。而采用相反的順序則可將由USB外設的輸入送至Uni-modem驅動(dòng)器并最終回到應用程序。

另外，由于PC主機有足夠的處理能力，在處理用戶(hù)應用程序的同時(shí)，完全可以實(shí)現實(shí)時(shí)信號處理，并且Intel在某處理器中保留了MMX指令集。該指令集有DSP算法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又是通過(guò)“軟”處理實(shí)現，且相對于物理的DSP芯片，該指令集的信號處理算法可以方便地升級。

通過(guò)“軟處理”，傳統的調制解調器中只保留了調制級、信號隔離器和一個(gè)數據存取管理器。圖5即為簡(jiǎn)化了的設計，帶有一個(gè)變壓器用作隔離器。

本文討論了USB接口技術(shù)在串行通信中的應用，通過(guò)在外設中加入一個(gè)微控制器，并利用幾個(gè)Windows支持的通信類(lèi)，簡(jiǎn)化了傳統USB接口modem的設計。文中給出了一個(gè)實(shí)際modem的簡(jiǎn)化設計，利用LabView軟件和VB語(yǔ)言可以對該modem進(jìn)行仿真模擬。