基于嵌入式系統的USB to UART通信設計方案

　　3 軟硬件設計

　　實(shí)際上應用工程師并不需要了解如此多的關(guān)于USB的底層內容和協(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(shí)間內實(shí)現基于USB接口的PC與嵌入式系統的連接通信。下面具體介紹該方案的軟硬件設計和實(shí)現。

　　3.1 硬件設計

　　圖2是采用CY7C64215實(shí)現該方案的原理圖。

　　圖中的CY7C64215是帶有1個(gè)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(gè)USB信號線(xiàn)，通過(guò) 2個(gè)51 Ω電阻與CY7C64215的2個(gè)USB引腳D+和D一連接。整個(gè)系統電源是通過(guò)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片電壓調整芯片，將從USB口上輸入的5 V電壓調整為3.6 V后，再作為CY7C64215的工作電源。這是因為USB協(xié)議中規定了USB信號線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上必須對地增加2個(gè)3.6 V穩壓二極管，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(xiàn)串行下載，編譯生成的HEX文件可以通過(guò)該編程口燒錄到PSoC內部的Flash中。圖中的LED是USB工作指示燈，在USB通信過(guò)程中會(huì )閃爍。

　　3.2 PSoC軟件系統設計過(guò)程

　　軟件系統設計過(guò)程全部是在PSoC的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Designer 5中完成的。首先建立1個(gè)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(hù)模塊，并為該模塊填寫(xiě)相應的參數。表1給出了USBUART的幾個(gè)參數及意義，其中MaxPower僅當選擇設備由USB總線(xiàn)供電時(shí)有效。

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

　　選擇配置完2個(gè)用戶(hù)模塊后，就可讓PSoC Designer生成應用程序框架了。在這個(gè)過(guò)程中，PSoC Designer會(huì )自動(dòng)綜合所有的配置信息，更新和產(chǎn)生所使用用戶(hù)模塊的底層匯編語(yǔ)言驅動(dòng)代碼和API函數，并同時(shí)生成一個(gè)C語(yǔ)言的主程序框架。

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

　　這段簡(jiǎn)單的C代碼功能首先啟動(dòng)LED和USBUART用戶(hù)模塊工作，開(kāi)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(kāi)始循環(huán)查詢(xún)和接收PC下發(fā)的數據，然后將收到的數據再回送給PC，同時(shí)控制LED的閃爍，從而實(shí)現簡(jiǎn)單的、可作為USBUART 設備性能測試的Echo功能。

　　最后編譯整個(gè)系統程序，生成HEX文件，通過(guò)ISSP下載燒錄到CY7C64215中。整個(gè)軟件系統設計過(guò)程便告完成。

　　3.3 USBUART的連接與測試

　　使用l根普通的USB延長(cháng)連接線(xiàn)，將CY7C64215的USB口連接到PC機的USB口上，PC顯示發(fā)現新的USB設備，并提示安裝驅動(dòng)。 USBUART設備的驅動(dòng)程序是PSoC Designer自動(dòng)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(hù)只要按照提示的要求，選擇這個(gè)USB設備文件就可以安裝USBUART的驅動(dòng)了。打開(kāi)PC機的硬件配置，會(huì )發(fā)現PC的硬件設備中多了1個(gè)COM口。

　　接下來(lái)的測試是在PC機上打開(kāi)串口調試工具(如超級終端)，連接到該COM口，然后手動(dòng)發(fā)送1個(gè)任意字符。CY7C64215控制的LED則開(kāi)始閃爍，在超級終端上也同時(shí)收到由USBUART回送的該字符。

　　更進(jìn)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(dòng)發(fā)送1個(gè)字符。此時(shí)CY7C64215控制的LED全亮(由于閃爍間隔時(shí)間太短)，超級終端也會(huì )連續收到字符。通過(guò)對比在超級終端中發(fā)送和接收到的字符個(gè)數是否相同，可以驗證是否丟失數據。

　　4 總 結

　　RS232是單個(gè)設備接入計算機時(shí)最常采用的一種方式，由于其通信規程協(xié)議比較簡(jiǎn)單，很多傳統的儀器設備和嵌入式系統都采用了這種通信方式。將 USB轉UART技術(shù)應用于嵌入式系統與.PC機之間的數據通信，在計算機上產(chǎn)生1個(gè)虛擬的COM口，用戶(hù)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具備USB通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了USB編程，同時(shí)還可以利用USB對嵌入式系統提供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(shí)現方法，并具備以下幾個(gè)特點(diǎn)。

　　該方案使得工程師能夠繞過(guò)復雜的USB底層接口和協(xié)議，采用簡(jiǎn)便的RS232(UART)方式進(jìn)行上層系統設計，繼承了傳統方案的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì )給設計人員帶來(lái)困難。同采用配置1根“USB to RS232”轉換電纜的方案相比，USBUART的硬件設計和結構更為簡(jiǎn)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的電平轉換環(huán)節(MAX232)，還可以使一些小型、微型的嵌入式系統直接采用由PC機的USB口供電的工作方式，進(jìn)一步省掉了電源系統，有效降低了整個(gè)系統的硬件成本。

　　USBUART本身還提供了20多個(gè)應用編程接口(API)子程序，它們作為該用戶(hù)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(gè)可編程配置的數字和模擬模塊、32 KB的Flash、1 KB的SRAM、2個(gè)8×8的乘法器、1個(gè)32位加法器、超過(guò)56個(gè)可編程的I/O(CY8C24x94)等強大的資源。僅僅1片芯片，不但可以實(shí)現基于 USB的通信，還可以同時(shí)完成各種不同的模擬和數字，以及模數混合的應用(如CapSense、CY8C24x94)。

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