如何設(shè)計(jì)USB接口的RS485信號(hào)模擬器？

引 言

USB總線是一種高效、快速、價(jià)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(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的 RS485信號(hào)模擬器就是采用USB接口總線，可以很方便與PC機(jī)進(jìn)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?biāo)準(zhǔn)，它的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)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(xì)討論USB總線信號(hào)與 RS485總線信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，及PC機(jī)終端應(yīng)用軟件對(duì)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(yīng)用軟件中自行設(shè)計(jì)通信協(xié)議。

1 總體設(shè)計(jì)

信號(hào)模擬器主要包括USB接口芯片、單片機(jī)子系統(tǒng)、RS485與TTL電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：a.信號(hào)模擬器通過(guò)應(yīng)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源;b.在信號(hào)模擬器內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)自反饋功能，即將實(shí)際發(fā)送給采集器的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)模擬器內(nèi)部回環(huán)電路回送給終端應(yīng)用程序軟件并最終顯示出來(lái)，以驗(yàn)證信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成8位并行信號(hào)，由MCU讀取8位并行信號(hào)數(shù)據(jù)，然后MCU通過(guò)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(hào)就是滿足指定要求的標(biāo)準(zhǔn)RS485總線信號(hào)。將RS485電平轉(zhuǎn)換電路1輸出端信號(hào)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(guò)全雙工的串口進(jìn)行接收，最終將數(shù)據(jù)回送到終端應(yīng)用程序軟件。信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(gè)USB通信協(xié)議全部由芯片自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)須考慮底層固件的編程。該芯片利用內(nèi)部集成的時(shí)鐘電路進(jìn)行工作，無(wú)須外部提供時(shí)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(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的大吞吐量操作。通過(guò)8位并行數(shù)據(jù)口D[O：7]和4位讀寫(xiě)狀態(tài)/控制口RXF、TXE、RD、WR就可實(shí)現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)交換。

下面介紹讀寫(xiě)FT245R FIFO操作時(shí)序要求。

(1)FT245R FIFO讀操作

讀操作時(shí)序如圖2所示。當(dāng)RXF為低，表示當(dāng)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(shí)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(lái)，再將RD信號(hào)拉高完成1字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)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(shí)，禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

(2)FT245R FIFO寫(xiě)操作

寫(xiě)操作時(shí)序如圖3所示。當(dāng)TXE為低，表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空，可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在WR為高電平時(shí)，MCU將8位數(shù)據(jù)D[0：7]送到并行I/O口上，在WR信號(hào)電平由高變低時(shí)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)中。當(dāng)TXE為高時(shí)，表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫(xiě)入上一個(gè)字節(jié)，此時(shí)禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫(xiě)入任何數(shù)據(jù)。MCU向FT245R寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確保TXE為低。

2.2 單片機(jī)子系統(tǒng)

單片機(jī)子系統(tǒng)包括單片機(jī)和上電復(fù)位芯片。本設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是AT89S52。 AT89S52作為系統(tǒng)的中央處理器擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)和PC主機(jī)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(jī)內(nèi)部有看門(mén)狗電路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飛。為了使單片機(jī)上電復(fù)位可靠，這里采用專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片MAX708。

2.3 RS485接口電路設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的UART接口，再經(jīng)過(guò)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(hào)模擬器所需的供電電壓和電流滿足USB接口電源指標(biāo)，因此采用USB接口為信號(hào)模擬器提供電源。

編者注：信號(hào)模擬器的電路原理圖見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)和PC機(jī)終端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編程，程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性和可維護(hù)性高。

3.1.1 單片機(jī)讀寫(xiě)FT245R FIFO緩沖區(qū)程序

單片機(jī)通過(guò)P0口來(lái)讀寫(xiě)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(xiě)1，這樣才能正確讀取數(shù)據(jù)。FT245R FIFO緩沖區(qū)讀寫(xiě)時(shí)序要求如前文所述。MCU讀寫(xiě)FT245R緩沖區(qū)程序如下：

3.1.2 單片機(jī)流程控制

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

整個(gè)程序的流程分為以下幾個(gè)步驟：

①單片機(jī)和FT245R的初始化，啟動(dòng)看門(mén)狗程序。

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

③對(duì)幀信息類(lèi)型進(jìn)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(duì)串口進(jìn)行配置;若為數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)向步驟④。

④串口數(shù)據(jù)發(fā)送接收采用查詢(xún)方式，MCU讀取FT245R接收緩沖區(qū)的1字節(jié)，然后通過(guò)串口進(jìn)行發(fā)送。

⑤判斷串口發(fā)送和接收是否完畢，若完成，將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FT245R發(fā)送緩沖區(qū)中;若未完成，喂狗，斷續(xù)執(zhí)行⑤。