基于USB接口的信號模擬器設(shè)計(jì)

　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(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的RS485信號模擬器就是采用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總線信號與 RS485總線信號的相互轉(zhuǎn)換，及PC機(jī)終端應(yīng)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(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)兩個功能：a．信號模擬器通過應(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)信號源；b．在信號模擬器內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)信號自反饋功能，即將實(shí)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(yīng)用程序軟件并最終顯示出來，以驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(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(jìn)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(jìn)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(shí)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(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(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，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(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(dāng)TXE為高時，表示當(dāng)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(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，這里采用專門的復(fù)位芯片MAX708。