基于USB接口的信號模擬器設(shè)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(chǎn)品的設(shè)計中得到了廣泛應用。本文所設(shè)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?shù)拇薪涌跇藴?，它?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣特性標準中有嚴格規(guī)定，但它的通信協(xié)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(zhuǎn)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(chǔ)上用戶可以根據(jù)不同需求，在終端應用軟件中自行設(shè)計通信協(xié)議。

　　1 總體設(shè)計

　　信號模擬器主要包括USB接口芯片、單片機子系統(tǒng)、RS485與TTL電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)兩個功能：a．信號模擬器通過應用程序軟件設(shè)置串行通信參數(shù)和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，最終輸出的信號是指定串行通信參數(shù)和數(shù)據(jù)幀格式的RS485總線數(shù)據(jù)，可以為采集器提供標準信號源；b．在信號模擬器內(nèi)部可以實現(xiàn)信號自反饋功能，即將實際發(fā)送給采集器的數(shù)據(jù)通過信號模擬器內(nèi)部回環(huán)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(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。

　　USB接口芯片F(xiàn)T245R是將USB接口信號轉(zhuǎn)換成8位并行信號，由MCU讀取8位并行信號數(shù)據(jù)，然后MCU通過全雙工的串口將讀到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 RS485電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路1輸出端信號反饋給RS485電平轉(zhuǎn)換電路2的輸人端，這樣可以把RS485電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，再通過全雙工的串口進行接收，最終將數(shù)據(jù)回送到終端應用程序軟件。信號模擬器的設(shè)計總體框圖如圖1所示。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2．1 USB接口芯片F(xiàn)T245R

　　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(xié)議轉(zhuǎn)換。整個USB通信協(xié)議全部由芯片自動完成，開發(fā)者無須考慮底層固件的編程。該芯片利用內(nèi)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(xié)議。它有256字節(jié)的接收緩沖區(qū)和128個發(fā)送緩沖區(qū)，可以進行數(shù)據(jù)的大吞吐量操作。通過8位并行數(shù)據(jù)口D[O：7]和4位讀寫狀態(tài)／控制口RXF、TXE、RD、WR就可實現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)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(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行讀操作讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。在RD電平由高變低，F(xiàn)IFO控制器將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)輸出到8位數(shù)據(jù)端口上，MCU此時只需讀取I／O口就可以將數(shù)據(jù)取到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上來，再將RD信號拉高完成1字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取。當將 FIFO接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部取出后，RXF被拉高表示數(shù)據(jù)為空。在RXF為高時，禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

　　(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(fā)送緩沖區(qū)空，可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。在WR為高電平時，MCU將8位數(shù)據(jù)D[0：7]送到并行I／O口上，在WR信號電平由高變低時數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送緩沖區(qū)中。當TXE為高時，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫入上一個字節(jié)，此時禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入任何數(shù)據(jù)。MCU向FT245R寫入數(shù)據(jù)時應確保TXE為低。

　　2．2 單片機子系統(tǒng)

　　單片機子系統(tǒng)包括單片機和上電復位芯片。本設(shè)計中采用的單片機是AT89S52。 AT89S52作為系統(tǒng)的中央處理器擔負著系統(tǒng)和PC主機的通信、系統(tǒng)內(nèi)各部件正常工作等重要任務(wù)。AT89S52這款單片機內(nèi)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(shè)計

　　信號經(jīng)過單片機的UART接口，再經(jīng)過MAX485轉(zhuǎn)換即構(gòu)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(guī)范規(guī)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(shè)計

　　軟件的設(shè)計主要包括單片機程序的設(shè)計和PC機終端應用程序的設(shè)計。

　　3．1 單片機程序設(shè)計

　　單片機程序采用C語言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性和可維護性高。

3．1．1 單片機讀寫FT245R FIFO緩沖區(qū)程序

　　單片機通過P0口來讀寫FT245R FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。P0口作為數(shù)據(jù)總線，讀數(shù)據(jù)前，須向P0口全寫1，這樣才能正確讀取數(shù)據(jù)。FT245R FIFO緩沖區(qū)讀寫時序要求如前文所述。MCU讀寫FT245R緩沖區(qū)程序如下：

　　3．1．2 單片機流程控制

　　MCU負責USB接口芯片F(xiàn)T245R的數(shù)據(jù)發(fā)送接收控制，單片機串口配置及串口接收發(fā)送任務(wù)。

　　整個程序的流程分為以下幾個步驟：

　?、賳纹瑱C和FT245R的初始化，啟動看門狗程序。

　　②對FT245R接收緩沖區(qū)有無數(shù)據(jù)進行判斷，若無數(shù)據(jù)，喂狗；若有數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向步驟③。

　?、蹖畔㈩愋瓦M行判斷，若為命令配置幀，則讀取FT245R接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，然后對串口進行配置；若為數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)向步驟④。

　?、艽跀?shù)據(jù)發(fā)送接收采用查詢方式，MCU讀取FT245R接收緩沖區(qū)的1字節(jié)，然后通過串口進行發(fā)送。

　?、菖袛啻诎l(fā)送和接收是否完畢，若完成，將接收到的數(shù)據(jù)寫入到FT245R發(fā)送緩沖區(qū)中；若未完成，喂狗，斷續(xù)執(zhí)行⑤。

　?、拗貜蛨?zhí)行②～⑤，直到讀出接收緩沖區(qū)里的所有數(shù)據(jù)。

　　3．2 PC機終端應用程序軟件設(shè)計

　　PC機終端應用軟件程序的主要目的是實現(xiàn)對USB接口芯片F(xiàn)T245R的接口控制和讀寫操作，提供友好的人機界面來設(shè)置串行通信參數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式、幀發(fā)送方式等。計算機端有關(guān)USB通信的開發(fā)不需要了解USB底層驅(qū)動，F(xiàn)TDI公司已經(jīng)以動態(tài)鏈接庫的形式封裝好了面向功能應用的API函數(shù)，開發(fā)者可以在多種高級語言中調(diào)用，功能強大且靈活方便。

　　FTDI公司為FT245R芯片提供了2種驅(qū)動程序：VCP驅(qū)動和D2XX驅(qū)動。使用VCP驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)傳輸速率可達300 kb／s；使用D2XX驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mb／s。下面分別介紹基于以上2種驅(qū)動的應用軟件程序設(shè)計。

　　3．2．1 基于VCP驅(qū)動的應用程序設(shè)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(qū)動程序，它是將USB接口芯片虛擬成操作系統(tǒng)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(shè)備的操作。應用程序通過調(diào)用 Win32 COMM控件的API函數(shù)來完成對芯片的讀／寫操作。

　　VCP驅(qū)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(shè)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(shù)，屏蔽了繁瑣的通信細節(jié)，只需使用控件提供的接口即可。

　　3．2．2 基于D2XX驅(qū)動的應用程序設(shè)計

　　為了獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，本文選擇D2XX驅(qū)動來進行應用軟件程序開發(fā)。D2XX驅(qū)動包括FTD2XX．DLL、FT2XX．SYS、USB Stack三部分。應用軟件程序通過動態(tài)鏈接庫文件FTD2XX．DLL可訪問驅(qū)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(shù)來對FT245R進行各種操作，主要函數(shù)如下：

　　FT_Open 用于打開USB接口設(shè)備

　　FT_Read 從USB接口芯片中讀取數(shù)據(jù)

　　FT_Write 向USB接口芯片里寫入數(shù)據(jù)

　　FT_Close 關(guān)閉USB接口設(shè)備

　　FT_SetTimeouts 設(shè)置讀寫FT245R緩沖區(qū)的超時時間設(shè)計中使用MFC作為計算機終端應用軟件的開發(fā)平臺。程序設(shè)計要點如下：

　?、傩陆ㄒ粋€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(tài)鏈接庫(FTD2XX．DLL)提供的接口函數(shù)。在新建的類中，用到哪個接口函數(shù)，需在該類的頭文件中對接口函數(shù)進行聲明。FTDI公司提供D2XX驅(qū)動的安裝程序，進行安裝后即可在Win-dow32下生成FTD2XX．DLL文件。

　?、趹贸绦蝽毷紫燃虞d動態(tài)鏈接庫文件Ftd2xx．dll，之后才能調(diào)用動態(tài)鏈接庫的接口函數(shù)，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(shè)備之前，須先關(guān)閉USB接口設(shè)備。即先執(zhí)行FT_Close函數(shù)，然后執(zhí)行FT_Open函數(shù)。USB接口設(shè)備打開后，就可以對芯片緩沖區(qū)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(jù)不同需求，自行設(shè)計通信協(xié)議，包括串行通信參數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)幀發(fā)送方式等。終端應用軟件界面如圖4所示。

　　結(jié) 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(shè)計。整個信號模擬器已經(jīng)完成調(diào)試，經(jīng)工程實際測試，終端應用程序運行可靠，信號模擬器數(shù)據(jù)發(fā)送正確無誤。這種基于USB接口芯片F(xiàn)T245R的軟硬件設(shè)計，可應用于其他基于USB接口的信號模擬器和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，具有廣泛的工程應用前景。