嵌入式系統與PC機的USBUART通信設計

　1 概 述

　　RS232(UART)接口是一種簡單、方便和實用的通信接口，用途非常廣泛。在許多嵌入式應用，如智能儀器儀表、電子設備中，均使用RS232與PC機等外部系統進行通信，實現上位機對下位機的控制及數據交換等。在系統調試過程中，通常也是通過RS232，將調試數據發送到PC上顯示出來。

　　但在PC機領域，RS232(COM)串行接口已經從最新一生產的計算機，尤其是筆記本電腦中消失了，而串行接口USB成為了標準的配置。這種變化給硬件工程師帶來了不少麻煩。

　　目前通常的解決辦法是購置一根“USB to RS232”轉換電纜，其基本作用是在USB總線上仿真出一個RS232端口。這種方法的主要優點在于：PC應用程序將該USB口連接當作COM口連接使用，從而可以使工程師輕松跨越復雜的USB低層接口協議，仍使用原來熟悉的，針對COM口操作的方式編寫程序代碼。

　　本文將介紹另外一種與上述方法原理類似的設計實現方案，設備之間的外表連接全部換成了USB標準物理接口和連接電纜，但在PC上仍然使用針對COM口操作的方式編寫程序代碼，保留了原來的風格。該方案是采用Cypress公司PSoC家族中帶USB接口的CY7C64215(或CY8C24x94)芯片實現的。

　　2 PSoC、PSoC USB和USBUART

　　2．1 PSOC

　　可編程片上系統(Prograromable System on Chip，PSoC)，是Cypress公司近幾年推出的一種新型的可編程半導體器件芯片。PSoC由8位微處理器內核，多個可編程的模擬模塊和數字模塊，硬件乘法累加器，以及I2C、Flash、SRAM等周邊外圍資源組成。因此，PSoC除了能實現一般MCU的功能外，還可通過可編程模擬和數字模塊，靈活地實現嵌入式系統所需的多種模擬與數字外圍功能。PSoC集三種可編程能力于一體，不僅具有MCU的可編程能力，還包含了部分可編程邏輯運算功能，同時提供了可編程模擬陣列。通過對寄存器的配置或控制，三者之間還可以協調工作，是具有真正的混合信號處理能力的可編程片上系統。

　　PSoC中的數字資源(如定時器、PWM、UART等)和模擬資源(如放大器、比較器、濾波器等)是以數字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數字模塊和模擬模塊的數量不同。用戶可根據特定需求來定義這些模塊。

　　PSoC的集成開發環境PSoC Designer也預先為用戶定義了近百個常用的數字和模擬資源配置模塊。這些預定義的模塊稱為用戶模塊，如數字資源有定時器、PWM、UART、SPI、CRC、PRS等，模擬資源有放大器、比較器、濾波器等，ADC則由若干數字模塊和模擬模塊組合而成。這使得PSoC開發人員無需通過設置寄存器來構建這些周邊設備，只需在PSoC Designer中選擇和放置所需的用戶模塊并進行參數設定。PSoC Designer不僅能配置用戶模塊，還為用戶創建了低層驅動函數，并提供使用這些用戶模塊的API函數供用戶編程時調用。這種新穎的系統設計方法使工程師可以把主要精力集中在上層系統軟件的設計工作中，極大地方便了整個系統的設計開發。

　　2．2 PSoC USB

　　PSoC系列中的CY7C64215、CY8C24x94芯片不僅具備上述PSoC的功能和特點，還包括了一個功能完善的全速(12 Mbps)USB端口。PSoC的USB端口資源符合USB2．O規范，是一個可以工作在12 Mbps速度下的全速器件，具備1個上行端口和1個USB地址的規范要求。PSoC USB包括1個串行接口引擎(SIE)，1個PSoC存儲器仲裁器(PMA)，256B的專用SRAM，1個帶有內部調節器的全速USB收發器以及2個專用USB引腳。

　　USB SIE支持5個端點，包括1個控制端點(端點0)和4個數據端點(端點1、2、3和4)。控制端點經過配置可支持SETUP、IN和OUT請求。數據端點可分別獨立配置，從而響應中斷、批傳輸、同步IN或OUT請求等。SIE使PSoC器件能與USB主機實現全速通信，并可自動完成以下USB處理任務，無需固件干預，從而簡化了USB流量接口的工作。

　　①將接收到的編碼數據進行轉換，將總線上要傳輸的數據格式化。

　　②生成CRC校驗和。忽略那些傳送進來的未通過校驗和驗證的數據包。

　　③地址檢查。忽略所有地址未指向器件的事務。

　　④發送適當的ACK／NAK／Stall握手信號。

　　⑤識別標記類型(SETUP、IN、OUT)，一旦接收到有效的標記，即設置適當的標記位。

　　⑥識別幀起始(S()F)并保存幀的數量。

　　⑦通過PSoC存儲器仲裁器向USB SRAM發送數據，或從USB SRAM接收數據。

　　PSoC存儲器判優器(PMA)是PSoC USB專用SRAM與數據SRAM的2個內存塊(USB SIE與M8C)之間的接口。PMA可提供8個通道用于傳輸數據。M8C可使用所有的通道寄存器，但4個非控制USB端點分別由PMA通道寄存器的特定集來分配。

　　PSoC USB系統資源包含專用的256 B SRAM，其與PSoC內核中所用的SRAM頁相同，但不能通過M8C存儲器操作指令存取。PSoC USB的專用SRAM只能通過PMA寄存器進行存取。

　　內部USB收發器與外部USB總線相連，根據USB2．O規范收發信號。在正常的USB操作狀態下，收發器直接與SIE連接，初始化之后無需與用戶互動。

　　就系統級而言，PSoC的全速USB系統資源通過M8C寄存器訪問指令進行操作配置，實現與PSoC其他部分的連接，并通過2個USB引腳與外部相連。

　　2．3 USBUART用戶模塊

　　USBUART用戶模塊是PSoC集成開發環境PSoCDesigner中專門為用戶使用PSoC USB預先定義的自動配置資源。USBUART實現了USB設備功能，并利用PSoC的1個USB端口來仿真1個COM端口，同時在PSoC器件側提供了類似于UART的高層API函數。因此利用該用戶模塊可以方便地替代傳統的基于RS232(UART)接口的通信方案。2種方案的對比如圖1所示。

　　USBUART是在PSoC的USB端口基礎上，在USB總線上仿真RS232端口。這種方法的主要優點在于，PC的上層應用程序將此USB設備仍舊看作是1個COM連接，從而使上層操作非常易于實現。這種方法可以使用在從Windows 98SE到Windows XP所有版本的MicrosoftWindows操作系統中的標準COM口驅動程序——MSC0M控件來編寫的應用程序中。

　　USB通信設備類(CDC)規格定義了許多通信模型，其中包括了1個在USB上實現串行通信仿真的抽象控制模型。Microsoft Windows USB調制解調器的驅動程序usbser．sys符合此規格。

　　在一臺新的USB設備第一次連接到一臺WindowsPC時，Windows將要求用戶提供驅動程序。Windows2000及以后版本在安裝驅動程序時需要一個INF文件。Windows沒有為這個usbser．sys驅動程序提供標準的INF文件。為了安裝能夠在USB上仿真RS232的設備，用戶必須提供一個能夠將附加的設備映射到MicrosoftCDC驅動程序的INF文件。USBUART用戶模塊會自動生成這個必要的INF文件，建立在工程項目的LIB文件夾內供使用。在提供了INF文件后，驅動程序允許USB1設備仿真成1個USB端口。

　　PC上面向COM口終端應用程序中的設置(波特率、數據位、奇偶校驗、停止位和流控制)都不會影響數據傳輸的性能，因為此時的COM口實際是USB設備，使用USB協議來控制數據流。但是，除了流控制以外的COM口終端設置值，在PSoC端可以采用特定的API函數調用檢索到，以便在需要時用于真正的RS232設備。

　　3 軟硬件設計

　　實際上應用工程師并不需要了解如此多的關于USB的底層內容和協議。只要基本掌握和看懂圖1所示的原理，借助PSoC：USB和USBUART，就可以在很短的時間內實現基于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現。

　　3．1 硬件設計

　　圖2是采用CY7C64215實現該方案的原理圖。

　　圖中的CY7C64215是帶有1個全速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USB信號線，通過2個51 Ω電阻與CY7C64215的2個USB引腳D+和D一連接。整個系統電源是通過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協議中規定了USB信號線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一信號線上必須對地增加2個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在線串行下載，編譯生成的HEX文件可以通過該編程口燒錄到PSoC內部的Flash中。圖中的LED是USB工作指示燈，在USB通信過程中會閃爍。

　　3．2 PSoC軟件系統設計過程

　　軟件系統設計過程全部是在PSoC的集成開發環境PSoC Designer 5中完成的。首先建立1個新的項目，選擇帶有USB接口的CY7C64215芯片。在芯片中選擇添加USBUART用戶模塊，并為該模塊填寫相應的參數。表1給出了USBUART的幾個參數及意義，其中MaxPower僅當選擇設備由USB總線供電時有效。

　　在這個示例中，除了選擇必需的USBUART用戶模塊外，還選擇使用了1個LED用戶模塊，該模塊用于控制LED指示USB的工作狀態。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LED。

　　選擇配置完2個用戶模塊后，就可讓PSoC Designer生成應用程序框架了。在這個過程中，PSoC Designer會自動綜合所有的配置信息，更新和產生所使用用戶模塊的底層匯編語言驅動代碼和API函數，并同時生成一個C語言的主程序框架。

　　接下來就是編寫USBUART設備的上層應用程序代碼了。在PSoC Designer中，打開已經生成的main．c主程序，添加如下所示的簡單代碼：

　　這段簡單的C代碼功能首先啟動LED和USBUART用戶模塊工作，開放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，程序開始循環查詢和接收PC下發的數據，然后將收到的數據再回送給PC，同時控制LED的閃爍，從而實現簡單的、可作為USBUART設備性能測試的Echo功能。

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

　　3．3 USBUART的連接與測試

　　使用l根普通的USB延長連接線，將CY7C64215的USB口連接到PC機的USB口上，PC顯示發現新的USB設備，并提示安裝驅動。USBUART設備的驅動程序是PSoC Designer自動生成的，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)。用戶只要按照提示的要求，選擇這個USB設備文件就可以安裝USBUART的驅動了。打開PC機的硬件配置，會發現PC的硬件設備中多了1個COM口。

　　接下來的測試是在PC機上打開串口調試工具(如超級終端)，連接到該COM口，然后手動發送1個任意字符。CY7C64215控制的LED則開始閃爍，在超級終端上也同時收到由USBUART回送的該字符。

　　更進一步的測試是，將超級終端的波特率設置成115 200 bps，每隔1 ms自動發送1個字符。此時CY7C64215控制的LED全亮(由于閃爍間隔時間太短)，超級終端也會連續收到字符。通過對比在超級終端中發送和接收到的字符個數是否相同，可以驗證是否丟失數據。

　　4 總 結

　　RS232是單個設備接入計算機時最常采用的一種方式，由于其通信規程協議比較簡單，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技術應用于嵌入式系統與．PC機之間的數據通信，在計算機上產生1個虛擬的COM口，用戶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通信的諸多優點，簡化了USB編程，同時還可以利用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現方法，并具備以下幾個特點。

　　該方案使得工程師能夠繞過復雜的USB底層接口和協議，采用簡便的RS232(UART)方式進行上層系統設計，繼承了傳統方案的優點，不會給設計人員帶來困難。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，進一步省掉了電源系統，有效降低了整個系統的硬件成本。

　　USBUART本身還提供了20多個應用編程接口(API)子程序，它們作為該用戶模塊的一部分，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，還含有多個可編程配置的數字和模擬模塊、32 KB的Flash、1 KB的SRAM、2個8×8的乘法器、1個32位加法器、超過56個可編程的I／O(CY8C24x94)等強大的資源。僅僅1片芯片，不但可以實現基于USB的通信，還可以同時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品和系統時采用，作者已經成功地將其融入到多個新設計的系統和產品中使用。