USB轉RS232通訊接口原理

一、引言
USB作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外設到計算機的連接更加高效、便利.這種接口適合于多種設備，不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點，還能同時連接多達127個設備,解決了如資源沖突、中斷請求(IRQs)和直接數(shù)據(jù)通道(DMAs)等問題.因此，越來越多的開發(fā)者欲在自己的產品中使用這種標準接口。而RS-232是單個設備接入計算機時，常采用的一種接入方式，其硬件實現(xiàn)簡單，因此在傳統(tǒng)的設備中有很多采用了這種通信方式。

二、USB系統(tǒng)概述
USB規(guī)范描述了總線特性、協(xié)議定義、編程接口以及其它設計和構建系統(tǒng)時所要求的特性。USB是一種主從總線,工作時USB主機處于主模式,設備處于從模式。USB系統(tǒng)所需要的唯一的系統(tǒng)資源是，USB系統(tǒng)軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間(I/O地址空間)和中斷請求(IRQ)線。USB設備可以是功能性的如顯示器、鼠標或者集線器之類.它們可以作低速或者高速設備實現(xiàn)。低速設備最大速率限制在1.5 Mb/s，每一個設備有一些專有寄存器,也就是端點(endpoint) 在進行數(shù)據(jù)交換時,可以通過設備驅動間接訪問它。每一個端點支持幾種特殊的傳輸類型，并且有一個唯一的地址和傳輸方向。不同的是端點0 僅用作控制傳輸，并且其傳輸可以是雙向的。系統(tǒng)上電后,USB主機負責檢測設備的連接與拆除、初始化設備的列舉過程,并根據(jù)設備描述表安裝設備驅動后自動重新配置系統(tǒng)，收集每個設備的狀態(tài)信息。設備描述表標識了設備的屬性、特征并描述了設備的通信要求.USB主機根據(jù)這些信息配置設備、查找驅動,并且與設備通信。典型的USB數(shù)據(jù)傳輸是由設備驅動開始的，當它需要與設備通信時,設備驅動提供內存緩沖區(qū)，用來存放設備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。USB驅動提供USB設備驅動和USB主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為USB事務，轉化時需要與帶寬要求及協(xié)議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數(shù)據(jù)構成的，這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸。具有相似功能的設備可以組成一類，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設備驅動程序。每個類可以定義其自己的描述符，如：HID類描述符和Report描述符.HID類是由人控制計算機系統(tǒng)的設備組成的，它定義了一個描述HID設備的結構，并且表明了設備的通信要求。HID設備描述符必須支持端點輸入中斷，固件也必須包括一個報告描述符,表明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的格式。在IC卡門禁考勤系統(tǒng)引入RS-232到USB的接口轉換模塊后，從系統(tǒng)所具有的特性來看,應該屬于HID設備。因此兩種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport .這些請求使設備能接收和發(fā)送一般的設備信息給主機。在沒有中斷輸出終端時，SetReport是主機發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設備的唯一方式。

　　三、系統(tǒng)要求
為了實現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS-232-USB的接口轉換,需要1臺支持USB的主機，同時還要提供主機上用于與外設通信的驅動，一般由操作系統(tǒng)提供。此外，還需開發(fā)在主機上執(zhí)行的客戶端應用程序。在設備端需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及編寫主控制器上執(zhí)行的USB通信代碼和用于執(zhí)行外設功能的相關代碼。
　　1、主機要求
　　主機必須能夠通過設備驅動接收USB數(shù)據(jù)，并且使這些數(shù)據(jù)對處理這些請求的應用程序有效。在主機中必須有一個驅動負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發(fā)數(shù)據(jù)；同時，還需要有一個設備驅動-虛擬化串行口，仿效真實的串口.這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發(fā)送USB數(shù)據(jù)。
　　從應用的觀點，設備驅動必須能收發(fā)數(shù)據(jù)，可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB 數(shù)據(jù)實現(xiàn)。微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動，它允許應用程序訪問USB設備時，好像它們連接到標準串口上一樣。系統(tǒng)大致結構方框圖如圖1所示。

2、設備要求
　　在定義即將使用的微控制器時，必須說明一些通信要求，如:通信速率、頻率、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等?？紤]到IC卡門禁考勤系統(tǒng)有效的通信速率，可以把轉換器作為一個低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100 Kb/s的范圍變化?？紤]到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和傳輸?shù)念l率，此系統(tǒng)中使用中斷的傳輸類型，中斷傳輸可以在2個方向進行，但不能同時進行，這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時間里完成相當大數(shù)據(jù)量的傳輸任務。
　　對于轉換模塊，它可以用于PC機的數(shù)據(jù)收發(fā)，操作系統(tǒng)提供了HID驅動，允許使用中斷傳輸模式。對于低速設備的一個事務，中斷傳輸最大的包容量是8字節(jié)，如果需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。則必須把它分割為很多事務。
　　轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數(shù)。如上所述，端點是微控制器在USB通信過程中所用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。此系統(tǒng)中，該轉換器定義了2個端點：一個端點(端點0)用來控制傳輸，另一個端點是中斷輸入端點，定義為發(fā)數(shù)據(jù)給PC機。
　　根據(jù)以上要求，通過研究比較現(xiàn)有的微控制器，考慮到如內存空間、價格和開發(fā)包等因素，我們選用Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C*XX/5XX。它使用哈佛總線結構，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價解決方案。

圖2為IC卡門禁考勤系統(tǒng)USB通信實現(xiàn)硬件方框原理圖。