基于USB接口的信號模擬器設計

引 言

　　USB總線是一種高效、快速、價格低、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，可以很方便與PC機進行連接，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，但它的通信協議可以由用戶自行定義。本文將詳細討論USB總線信號與 RS485總線信號的相互轉換，及PC機終端應用軟件對USB接口芯片的各種操作。在此基礎上用戶可以根據不同需求，在終端應用軟件中自行設計通信協議。

　　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。它可以實現兩個功能：a．信號模擬器通過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現信號自反饋功能，即將實際發送給采集器的數據通過信號模擬器內部回環電路回送給終端應用程序軟件并最終顯示出來，以驗證信號模擬器發送數據是否正確。

　　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通過全雙工的串口將讀到的數據發送給 RS485電平轉換電路1，這樣輸出的信號就是滿足指定要求的標準RS485總線信號。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，再通過全雙工的串口進行接收，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串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協議轉換。整個USB通信協議全部由芯片自動完成，開發者無須考慮底層固件的編程。該芯片利用內部集成的時鐘電路進行工作，無須外部提供時鐘；完全兼容USB2．O協議。它有256字節的接收緩沖區和128個發送緩沖區，可以進行數據的大吞吐量操作。通過8位并行數據口D[O：7]和4位讀寫狀態／控制口RXF、TXE、RD、WR就可實現與微控制器的數據交換。

　　下面介紹讀寫FT245R FIFO操作時序要求。

　　(1)FT245R FIFO讀操作

　　讀操作時序如圖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此時只需讀取I／O口就可以將數據取到內部數據總線上來，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，禁止從FIFO接收緩沖區讀取數據。

　　(2)FT245R FIFO寫操作

　　寫操作時序如圖3所示。當TXE為低，表示當前FIFO發送緩沖區空，可以向發送緩沖區寫入數據。在WR為高電平時，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數據被寫入發送緩沖區中。當TXE為高時，表示當前FIFO發送緩沖區已滿或者正在寫入上一個字節，此時禁止向發送緩沖區中寫入任何數據。MCU向FT245R寫入數據時應確保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系統和PC主機的通信、系統內各部件正常工作等重要任務。AT89S52這款單片機內部有看門狗電路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飛。為了使單片機上電復位可靠，這里采用專門的復位芯片MAX708。

　　2．3 RS485接口電路設計

　　信號經過單片機的UART接口，再經過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。　　

　　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FT245R FIFO緩沖區程序

　　單片機通過P0口來讀寫FT245R FIFO緩沖區中的數據。P0口作為數據總線，讀數據前，須向P0口全寫1，這樣才能正確讀取數據。FT245R FIFO緩沖區讀寫時序要求如前文所述。MCU讀寫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的數據發送接收控制，單片機串口配置及串口接收發送任務。

　　整個程序的流程分為以下幾個步驟：

　　①單片機和FT245R的初始化，啟動看門狗程序。

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

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

　　④串口數據發送接收采用查詢方式，MCU讀取FT245R接收緩沖區的1字節，然后通過串口進行發送。

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

　　⑥重復執行②～⑤，直到讀出接收緩沖區里的所有數據。

　　3．2 PC機終端應用程序軟件設計

　　PC機終端應用軟件程序的主要目的是實現對USB接口芯片FT245R的接口控制和讀寫操作，提供友好的人機界面來設置串行通信參數、數據幀格式、幀發送方式等。計算機端有關USB通信的開發不需要了解USB底層驅動，FTDI公司已經以動態鏈接庫的形式封裝好了面向功能應用的API函數，開發者可以在多種高級語言中調用，功能強大且靈活方便。

　　FTDI公司為FT245R芯片提供了2種驅動程序：VCP驅動和D2XX驅動。使用VCP驅動程序，數據傳輸速率可達300 kb／s；使用D2XX驅動程序，數據傳輸速率可達1 Mb／s。下面分別介紹基于以上2種驅動的應用軟件程序設計。

　　3．2．1 基于VCP驅動的應用程序設計

　　在PC機上安裝一個由FTDI公司提供的虛擬串行口VCP(Virtual COM Port)驅動程序，它是將USB接口芯片虛擬成操作系統的一個串口通信口，對這一虛擬的串行口的操作等同于對該USB接口設備的操作。應用程序通過調用 Win32 COMM控件的API函數來完成對芯片的讀／寫操作。

　　VCP驅動由2部分組成：FTDIBUS和FTSER2K。FTDIBUS完成2個功能：控制虛擬串口的生成，以及與USB接口芯片進行通信。FTSER2K完成對串口的各種操作。

　　應用軟件程序設計可以采用成熟的串行通信控件MSComm來完成對虛擬串口的各種操作。MSComm控件很好地封裝了Windows API的串口通信函數，屏蔽了繁瑣的通信細節，只需使用控件提供的接口即可。

　　3．2．2 基于D2XX驅動的應用程序設計

　　為了獲得更快的數據傳輸速率，本文選擇D2XX驅動來進行應用軟件程序開發。D2XX驅動包括FTD2XX．DLL、FT2XX．SYS、USB Stack三部分。應用軟件程序通過動態鏈接庫文件FTD2XX．DLL可訪問驅動程序FTD2XX．SYS的編程接口，進而可以對FT245R芯片進行各種操作。

　　FTD2XX．DLL提供了豐富的接口函數來對FT245R進行各種操作，主要函數如下：

　　FT_Open 用于打開USB接口設備

　　FT_Read 從USB接口芯片中讀取數據

　　FT_Write 向USB接口芯片里寫入數據

　　FT_Close 關閉USB接口設備

　　FT_SetTimeouts 設置讀寫FT245R緩沖區的超時時間設計中使用MFC作為計算機終端應用軟件的開發平臺。程序設計要點如下：

　　①新建一個工程文件，加載FTD2XX．H文件到工程中，在每一個CPP文件中都要加入頭文件FTD2XX．H。在FTD2XX．H文件中可以查看動態鏈接庫(FTD2XX．DLL)提供的接口函數。在新建的類中，用到哪個接口函數，需在該類的頭文件中對接口函數進行聲明。FTDI公司提供D2XX驅動的安裝程序，進行安裝后即可在Win-dow32下生成FTD2XX．DLL文件。

　　②應用程序須首先加載動態鏈接庫文件Ftd2xx．dll，之后才能調用動態鏈接庫的接口函數，對USB接口芯片進行各種操作。加載庫命令即LoadLibrary("Ftd2xx．dll")。

③在打開USB接口設備之前，須先關閉USB接口設備。即先執行FT_Close函數，然后執行FT_Open函數。USB接口設備打開后，就可以對芯片緩沖區進行讀／寫操作。在完成終端應用軟件對FR245R芯片的各種操作后，用戶可根據不同需求，自行設計通信協議，包括串行通信參數、數據幀格式、數據幀發送方式等。終端應用軟件界面如圖4所示。

　　結 語

　　本文主要討論了基于USB接口的RS485信號模擬器的軟硬件設計。整個信號模擬器已經完成調試，經工程實際測試，終端應用程序運行可靠，信號模擬器數據發送正確無誤。這種基于USB接口芯片FT245R的軟硬件設計，可應用于其他基于USB接口的信號模擬器和數據采集領域，具有廣泛的工程應用前景。