嵌入式系統的USB虛擬串口設計

現代嵌入式系統中，異步串行通信接口往往作為標準外設出現在單片機和嵌入式系統中。但是隨著個人計算機通用外圍設備越來越少地使用串口，串口正在逐漸從個人計算機特別是便攜式電腦上消失。于是嵌入式開發人員常常發現自己新買來的計算機上沒有串口，或者出現調試現場用戶的計算機沒有串口的尷尬局面。相反，現在的個人計算機普遍擁有4個以上的USB接口，能不能使用USB接口代替串口，完成PC機和嵌入式系統的通信呢？

1 USB虛擬串口代替物理串口的可行性

　　首先，越來越多帶USB接口的器件涌現出來，如帶USB接口的單片機，或獨立的USB接口器件，而且這些器件的成本已經很接近于使用RS232電平轉換芯片所帶來的成本。

　　其次，市場上也出現了一些USB接口轉串口的芯片，這些芯片一頭為串口，另一頭為USB接口，在其內部完成串口到USB協議的轉換。該芯片通過USB口連接到個人計算機后，在操作系統中表現為一個串口設備，這意味著USB接口對于傳統的串口調試工具（HyperTerninal）和用戶基于串口的應用程序是透明的，開發人員完全不用更改PC端的調試和應用程序。

　　但是這些器件的USB類不屬于標準的USB設備類，因此需要在Windows和Linux操作系統上安裝額外的設備驅動。另外，由于不是操作系統自帶的設備驅動，而且通信經過了由串口到串口，USB從設備到USB主機的多次轉換，當調試遇到問題時常常無法確定是串口出了問題還是USB出了問題。因此，應該使嵌入式系統直接和PC通過USB總線接口連接（通過片上的USB接口或片外USB接口芯片），由單片機直接完成USB虛擬串口的協議轉換。

　　在USB標準子類中，有一類稱之為CDC類，可以實現虛擬串口通信的協議，而且由于大部分的操作系統（Windows和Linux）都帶有支持CDC類的設備驅動程序，可以自動識別CDC類的設備，這樣不僅免去了寫專用設備驅動的負擔，同時簡化了設備驅動的安裝。

2 什么是CDC類

　　USB的CDC類是USB通信設備類（Communication Device Class）的簡稱。CDC類是USB組織定義的一類專門給各種通信設備（電信通信設備和中速網絡通信設備）使用的USB子類。根據CDC類所針對通信設備的不同，CDC類又被分成以下不同的模型：USB傳統純電話業務（POTS）模型，USB ISDN模型和USB網絡模型。其中，USB傳統純電話業務模型，有可分為直接線控制模型（Direct Line Control Model）、抽象控制模型（Abstract Control Model）和USB電話模型（USB Telephone Model），如圖1所示。本文所討論的虛擬串口就屬于USB傳統純電話業務模型下的抽象控制模型。

???? 通常一個CDC類又由兩個接口子類組成通信接口類（Communication Interface Class）和數據接口類(Data Interface Class)。筆者主要通過通信接口類對設備進行管理和控制，而通過數據接口類傳送數據。這兩個接口子類占有不同數量和類型的終端點（Endpoints），如圖2所示。對于前面所述的不同CDC類模型，其所對應的接口的終端點需求也是不同的。如所需要討論的抽象控制模型對終端點的需求，通信接口類需要一個控制終端點（Control Endpoint）和一個可選的中斷（Interrupt）型終端點，數據接口子類需要一個方向為輸入（IN）的周期性（Isochronous）型終端點和一個方向為輸出（OUT）的周期性型終端點。其中控制終端點主要用于USB設備的枚舉和虛擬串口的波特率和數據類型（數據位數、停止位和起始位）設置的通信。輸出方向的非同步終端點用于主機（Host）向從設備（Slave）發送數據，相當于傳統物理串口中的TXD線（如果從單片機的角度看），輸入方向的非同步終端點用于從設備向主機發送數據，相當于傳統物理串口中的RXD線。

3 AT89C5131的簡單介紹

　　基于單片機的嵌入式系統要實現USB總線通信，通常都是通過外擴專用的USB總線接口芯片（如飛利浦的D12）。但是這樣的方案既增加了成本，又使PCB板的面積變大，所以使用Atmel公司的集成了USB2.0全速（Full Speed）從接口外設的51單片機AT89C5131。

　　AT89C5131是一個基于52內核的單片機。在存儲器方面，其內部集成了32KB的Flash存儲器用于代碼的存儲，1KB的EEPROM存儲器用于用戶數據的存儲，用戶可以使用片上的Bootloader或Flash API通過USB接口或者其他接口（如UART和I2C總線）對Flash存儲器和EEPROM存儲器進行ISP或者IAP編程。 此外AT89C5131還集成了10位的ADC、I2C總線接口和PCA模塊等豐富的外設。

　　AT89C5131的USB2.0全速從接口的結構如圖3所示，其包括USB D+/D-的接口緩沖，數字鎖相環，串行接口引擎（SIE）和通用功能接口（UFI）。其中數字鎖相環以單片機的時鐘為輸入，產生了USB接口其他部分所需的48MHz時鐘。串行接口引擎完成USB通信物理層NRZI碼的編碼與解碼，CRC生成以及校驗與糾錯。通用功能接口包含了一個雙端口的數據存儲器，其一端與串行接口引擎鏈接，另一端通過數據總線與單片機相連接，使單片機可以通過特殊功能寄存器完成對USB2.0從接口的控制與通信。

??? AT89C5131的USB2.0全速從接口包含了7個終端點，其中0號終端點被配置成為默認的控制終端點。其他1～6號終端點都可以通過特殊寄存器配置為控制（Control），突發（Bulk），中斷（Interrupt）和周期性（Isochronous）模式。由于每一個終端點都由一組獨立的寄存器對該終端點進行控制、狀態識別和數據的存取，則如果將這些寄存器直接映射到51單片機的特殊功能寄存器地址空間顯然是容納不下的。因此，這7個終端點的7組寄存器在單片機的地址空間中其實使用的是同一組寄存器的地址，而通過一個特殊功能寄存器（UEPNUM）來選擇當前該組寄存器實際選擇的是哪個終端點的寄存器組，這樣就大大節省了所占用的地址空間，為集成其他特殊外設提供了可能。

4 基于AT89C5131的CDC類的實現

　　AT89C5131與USB接口的硬件連接很簡單，選用一個Btype的USB插座，因為按照USB規范，從設備使用Btype的USB插座，主設備使用Atype的USB插座，將Btype的USB插座的D+和D-腳分別與AT89C5131上的D+和D-腳相連。然后再在電源和D+之間用一個1.5 kΩ的上拉電阻連接，因為按照USB規范，USB主設備是通過從設備在插入時D+和D-上的絕對電平來確定從設備是一個全速設備還是一個低速設備的，而AT89C5131是一個全速設備，所以需要將D+上拉。

　　下面介紹虛擬串口的單片機軟件設計與實現。首先來看一下終端點的分配，按照CDC類抽象控制模型對終端點的需求，將單片機0號終端點和1號終端點分配給通信接口子類，分別作為控制終端點（完成枚舉和串口參數設置）和中斷終端點，而將2號和3號終端點分配給數據接口子類，分別作為IN和OUT終端點，虛擬串口的數據主要從這兩終端點來進行傳送。

　　由于各個終端點的行為相對獨立，對于每個終端點的控制過程又有相似性，在這里以2號終端點即作為數據接口的IN終端點為例，說明軟件是如何對終端點進行操作和控制的，其控制流程圖如圖4所示。2號終端點是一個IN的終端點，它的主要工作是模擬物理串口的TXD線，向主設備發送數據。當主設備發出IN的請求時，如果FIFO不空，就向主設備發送FIFO的內容；如果FIFO為空，則向主設備發送一個空包作為回應。AT89C5131在收到IN的請求時，會觸發USB中斷（如果被使能），在中斷處理程序中，如圖4所示，首先判斷中斷的觸發源是哪個終端點，如果是2號終端點，將USB寄存器組映射到2號終端點的那一組，然后將需要發送的串口數據填入FIFO寄存器（UEPDATX），置位UEPSTAX的TXRDY位，表示FIFO中的數據已經準備好，這時USB接口就會自動響應IN請求，并將FIFO中的數據發送出去，程序則可退出中斷服務程序。對于其他的終端點，其處理過程也是相似的。

??? 軟件使用Keil C51為編譯系統，為了便于和系統的其他程序集成，采用標準字符型設備的API接口usb_getc()和usb_putc()，使程序具有很好的移植性。應用程序層函數（usb_getc()和usb_putc()）與USB中斷處理程序通過兩個先進先出FIFO循環隊列(TX和RX)來交換數據，這樣有效的起到收發緩沖的作用，防止緩沖溢出。

5 總結

　　在單片機上實現基于CDC類的USB虛擬串口很好的適應了當前計算機外設接口的發展，同時因為這樣的接口在PC操作系統中仍然映射為一個串口，所以又避免了大量的PC端調試程序和應用程序的重新編寫。