畢業(yè)設計（論文）-PC與單片機通過USB接口實現(xiàn)串行通信.doc

畢業(yè)設計題目：PC與單片機通過USB接口實現(xiàn)串行通信畢業(yè)設計專業(yè)：電子信息工程技術班級：姓名：*摘 要基于串口通訊的原理，分析和討論了計算機與單片機如何通過USB接口使用相關的通訊協(xié)議實現(xiàn)串行通信的。本設計主要介紹如何使用一臺計算機與一臺單片機通過USB接口實現(xiàn)串行通信。在本設計中單片機采用AT89C51，USB轉(zhuǎn)接芯片CH341；軟件設計方面，PC機采用C語言編程，單片機方面用中斷方式完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，程序開發(fā)采用匯編語言和Keil C語言。關鍵字：PC機，單片機，USB，串行通信 - 3 -目 錄第1章 前 言11.1本課題研究的目的和背景11.2 本課題研究的主要內(nèi)容1第2章 串行通信基礎32.1 串口通信的基本知識32.1.1并行通信與串行通信32.1.2串行通信工作模式52.1.3異步傳輸和同步傳輸6第3章 USB通信原理簡介73.1 USB簡介73.1.1 USB設備83.1.2 USB的優(yōu)點93.1.3傳輸方式103.2 USB的總線協(xié)議113.2.1總線拓撲結(jié)構(gòu)113.2.2 USB的物理層113.2.3 USB總線協(xié)議12第4章 PC與單片機通過USB的通信設計204.1 設計方案選擇204.1.1 PC機同單片機通信存在的問題214.1.2 USB接口同RS-232(DB-9)串口的比較214.1.3 USB轉(zhuǎn)接芯片的選擇214.2硬件設計224.2.1硬件電路設計224.2.2硬件驅(qū)動程序安裝234.3通信程序設計234.3.1 PC機與USB通信程序設計234.3.2單片機通信程序設計254.4 USB通信模塊調(diào)試27結(jié) 論28致 謝29參考文獻30河南工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文第1章 前 言1.1本課題研究的目的和背景通信是指不同的獨立系統(tǒng)利用線路互相交換數(shù)據(jù)，它的主要目的是將數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，通常采用計算機作為上位機與下層的實時控制與監(jiān)測設備進行通訊?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)必須通過一個數(shù)據(jù)收集器傳給上位機，同樣上位機向現(xiàn)場設備發(fā)命令也必須通過數(shù)據(jù)收集器。串行通信因其結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點，已被廣泛應用于數(shù)據(jù)采集和過程控制等領域。計算機與外界的信息交換稱為通信。基本的通信方式有并行通信和串行通信兩種。串行通信是指一條信息額各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通信方式。串行通信的特點是：數(shù)據(jù)位傳送，按位順序進行，最少只需要一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度快，串行通信的距離可以從幾米到幾千米 。隨著計算機技術尤其是單片微型機技術的發(fā)展，人們已越來越多地采用單片機來對一些工業(yè)控制系統(tǒng)中如溫度、流量和壓力等參數(shù)進行監(jiān)測和控制。PC機具有強大的監(jiān)控和管理能力，而單片機則具有快速及靈和的控制特點，通過PC機的RS-232串行接口與外部設備進行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。而隨著USB接口技術的成熟和使用的普及，由于USB 接口有著RS-232(DB-9)串口無法比擬的優(yōu)點，RS-232(DB-9)串口正在逐步地為USB 接口所替代。而在現(xiàn)在的大多數(shù)筆記本電腦中，出于節(jié)省物理空間和用處不大等原因，RS-232(DB-9)串口已不再設置，這就約束了基于RS-232(DB-9)串口與PC 機聯(lián)絡的單片機設備的使用范圍。當前USB接口逐步取代RS-232(DB-9)串口已是大勢所趨，單片機同計算機的USB通信在實際工作中的應用范圍也將越來越廣。本文所介紹的單片機和PC機的USB通信方法，電路簡單，兼容性好，可移植性強，故可作為單片機同計算機的USB通信模塊廣泛應用于工業(yè)和電子產(chǎn)品的開發(fā)中。因此研究如何實現(xiàn)PC機與單片機通過USB之間的通信具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.2 本課題研究的主要內(nèi)容（1）串行通信原理介紹；（2）USB技術原理分析；（3）單片機和PC機通過USB實現(xiàn)串行通信設計與實現(xiàn)。本設計主要包含以下兩個方面：（1）硬件設計：單片機及外圍電路設計；（2）軟件設計：單片機的通信控制程序， PC機的通信程序。第2章 串行通信基礎2.1 串口通信的基本知識2.1.1并行通信與串行通信微機的信息交換有兩種方式進行：串行通信方式和并行通信方式。1.串行通信串行通信的設備是最古老的溝通機制之一。從IBM個人電腦和兼容式電腦的時代開始，幾乎所有的計算機都配有一個或多個串行端口和一個并行端口。顧名思義，一個串行端口發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，一次一位數(shù)據(jù)。相反，一個并行端口一次發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)，使用8個單獨的線路。提示：要使串行通信工作，你只需要一根三根線的電纜1根發(fā)送，1根用來接收，1根接地。對于并行通信，你需要采用8條導線。盡管相對較慢的傳輸速度遠低于并行端口，串行端口通信依然因為它簡單的設備、高的成本效益以及差錯可控性強而成為一個受歡迎的連接選項。圖2-1顯示了使用串行口連接到計算機的設備。圖2-1 一些常見的串行設備，調(diào)制解調(diào)器，鼠標和路由器雖然今天的消費產(chǎn)品中在串行連接的地方使用USB連接，但還有很多的設備使用串行端口作為與外部世界的唯一連接。一個串行設備一次發(fā)送和接收一位數(shù)據(jù)，有些設備因為在同一時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，被稱為全雙工設備。其他可以在任何時間發(fā)送或接收被稱為單雙工。開始傳輸時，設備先發(fā)送一個起始位，其次是數(shù)據(jù)位。該數(shù)據(jù)位可以是五，六，七，或8位，基于商定而定。兩個發(fā)送方和接收器必須設置為相同的數(shù)據(jù)通信比特或正確的比特率。數(shù)據(jù)位被發(fā)送完后，就會發(fā)送一個停止位。一個停止位可以是一位，一個半位，或兩位。波特率是數(shù)據(jù)從一個設備到另一個的傳輸速度。波特率通常以每秒的位數(shù)（bps）來計量。注意：大多數(shù)串行設備傳輸七-八位數(shù)據(jù)。為了檢測數(shù)據(jù)已被正確發(fā)送，一個可選的校驗位可以同數(shù)據(jù)位在一起。一個校驗位可以是以下內(nèi)容：奇數(shù)，偶數(shù)，mark，space或無（空的奇偶位標志幾乎總是被使用）。使用校驗位提供了一個基本的機制，以檢測已發(fā)送數(shù)據(jù)損壞，但不保證檢查數(shù)據(jù)本身的錯誤。然而，校驗位可用于改善完整性數(shù)據(jù)傳送。大多數(shù)串行端口使用RS232C標準,它指定了一個連接器25針或9針(見圖2-2)。大多數(shù)系列設備使用9針連接器。圖2-2 25針和9針串行接口2.并行通信在計算機和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是靠電纜或信道上的電流或電壓變化實現(xiàn)的。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳送，這種傳輸被稱為并行通信，如圖2-3所示。并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。計算機或PLC各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。圖2-3 并行通信2.1.2串行通信工作模式如果在通信過程的任意時刻，信息只能由一方A傳到另一方B，則稱為單工。如果在任意時刻，信息既可由A傳到B，又能由B傳A，但只能由一個方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。如果在任意時刻，線路上存在A到B和B到A的雙向信號傳輸，則稱為全雙工。電話線就是二線全雙工信道。由于采用了回波抵消技術，雙向的傳輸信號不致混淆不清。雙工信道有時也將收、發(fā)信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號，如回線傳輸。在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個站（如終端和微機）之間進行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種基本的傳送方式：全雙工、半雙工、和單工。但單工目前已很少采用，下面僅介紹前兩種方式。1.半雙工方式若使用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的傳送方式就是半雙工制，如圖2-4所示。采用半雙工方式時，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器，通過收/發(fā)開關轉(zhuǎn)接到通信線上，進行方向的切換，因此，會產(chǎn)生時間延遲。收/發(fā)開關實際上是由軟件控制的電子開關。圖2-4半雙工方式當計算機主機用串行接口連接顯示終端時，在半雙工方式中，輸入過程和輸出過程使用同一通路。有些計算機和顯示終端之間采用半雙工方式工作，這時，從鍵盤打入的字符在發(fā)送到主機的同時就被送到終端上顯示出來，而不是用回送的辦法，所以避免了接收過程和發(fā)送過程同時進行的情況。目前多數(shù)終端和串行接口都為半雙工方式提供了換向能力，也為全雙工方式提供了兩條獨立的引腳。在實際使用時，一般并不需要通信雙方同時既發(fā)送又接收，像打印機這類的單向傳送設備，半雙工甚至單工就能勝任，也無需倒向。2.全雙工方式當數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖2-5所示。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應用（例如遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時，需要2根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信號（可能還需要控制線和狀態(tài)線，以及地線）。圖2-5全雙工2.1.3異步傳輸和同步傳輸串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位按照到達的順序依次傳輸?shù)模课粩?shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要時鐘來控制。發(fā)送端通過發(fā)送時鐘確定數(shù)據(jù)位的開始和結(jié)束，接收端需要在適當?shù)臅r間間隔對數(shù)據(jù)流進行采樣來正確的識別數(shù)據(jù)。接收端和發(fā)送端必須保持步調(diào)一致，否則數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)差錯。為了解決以上問題，串行傳輸可采用以下兩種方法：異步傳輸和同步傳輸。1.異步傳輸通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位，每個字符都要附加1位起始位和1位停止位，以標記一個字符的開始和結(jié)束，并以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。所謂異步傳輸是指字符與字符(一個字符結(jié)束到下一個字符開始)之間的時間間隔是可變的，并不需要嚴格地限制它們的時間關系。起始位對應于二進制值0，以低電平表示，占用1位寬度。停止位對應于二進制值1，以高電平表示，占用12位寬度。一個字符占用 58位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。例如，電報碼字符為5位、ASCII碼字符為7位、漢字碼則為8位。此外，還要附加1位奇偶校驗位，可以選擇奇校驗或偶校驗方式對該字符實施簡單的差錯控制。發(fā)送端與接收端除了采用相同的數(shù)據(jù)格式(字符的位數(shù)、停止位的位數(shù)、有無校驗位及校驗方式等)外，還應當采用相同的傳輸速率。典型的速率有：9600 b/s、19.2kb/s、56kb/s等。異步傳輸又稱為起止式異步通信方式，其優(yōu)點是簡單、可靠，適用于面向字符的、低速的異步通信場合。例如，計算機與Modem之間的通信就是采用這種方式。它的缺點是通信開銷大，每傳輸一個字符都要額外附加23位，通信效率比較低。例如，在使用Modem上網(wǎng)時，普遍感覺速度很慢，除了傳輸速率低之外，與通信開銷大、通信效率低也密切相關。2.同步傳輸通常，同步傳輸是以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位。每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，標記一個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，一般還要附加一個校驗序列(如16位或32位CRC校驗碼)，以便對數(shù)據(jù)塊進行差錯控制。所謂同步傳輸是指數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊之間的時間間隔是固定的，必須嚴格地規(guī)定它們的時間關系。和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長容易引起時鐘漂移。為了保證接收端能夠正確地區(qū)分數(shù)據(jù)流中的每個數(shù)據(jù)位，收發(fā)雙主必須通過某種方法建立起同步的時鐘?？梢栽诎l(fā)送器和接收器之間提供一條獨立的時鐘線路，由線路的一端（發(fā)送器或者接收器）定期地在每個比特時間中向線路發(fā)送一個短脈沖信號，另一端則將這些有規(guī)律的脈沖作為時鐘。這種技術在短距離傳輸時表現(xiàn)良好，但在長距離傳輸中，定時脈沖可能會和信息信號一樣受到破壞，從而出現(xiàn)定時誤差。另一種方法是通過采用嵌有時鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同步信息。第3章 USB通信原理簡介3.1 USB簡介USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是以Intel為主，并有Compaq, Microsoft, IBM, DEC, Northern Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標準，1994年11月制定了第一個草案，1996年2月公布了USB規(guī)范版本1.0。USB可把多達127個外設同時聯(lián)到你的系統(tǒng)上，所有的外設通過協(xié)議來共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對于鍵盤，鼠標等低中速外設是完全足夠的（注：在1999年2月發(fā)布的USB規(guī)范版本2.0草案中，已建議將12Mbps的帶寬提升到120-240Mbps。）。USB允許外設在主機和其它外設工作時進行連接、配置、使用及移除，即所謂的即插即用（Plug&Play）。同時USB總線的應用可以清除PC上過多的I/O端口，而以一個串行通道取代，使PC與外設之間的連接更容易。3.1.1 USB設備USB設備包括Hub和功能設備，而功能設備又可以細分為定位設備字符設備等等。為了進一步敘述，我們給出端點(endpoint)和管道(pipe)的概念。端點：每一個USB設備在主機看來就是一個端點的集合，主機只能通過端點與設備進行通訊，以使用設備的功能。每個端點實際上就是一個一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些端點在設備出廠時就已定義好。在USB系統(tǒng)中，每一個端點都有唯一的地址，這是由設備地址和端點號給出的。每個端點都有一定的特性。其中包括：傳輸方式、總線訪問、頻率、帶寬、端點號、數(shù)據(jù)包的最大容量等等。端點必須在設備配置后才能生效(端點0除外)。端點0通常為控制端點。用于設備初始化參數(shù)等。端點12等一般用作數(shù)據(jù)端點存放主機與設備間往來的數(shù)據(jù)。管道：一個USB管道是驅(qū)動程序的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與一個外設端點的連接，它代表了一種在兩者之間移動數(shù)據(jù)的能力。一旦設備被配置，管道就存在了。管道有兩種類型，數(shù)據(jù)流管道（其中的數(shù)據(jù)沒有USB定義的結(jié)構(gòu)）與消息管道（其中的數(shù)據(jù)必須有USB定義的結(jié)構(gòu)）管道只是一個邏輯上的概念。所有的設備必須支持端點0以作為設備的控制管道。通過控制管道可以獲取完全描述USB設備的信息，包括：設備類型、電源管理、配置、端點描述等等只要設備連接到USB上并且上電端點0就可以被訪問與之對應的控制管道就存在了。一個USB設備可以分為三個層圖（如圖3-1所示）。最底層是總線接口，用來發(fā)送與接收包。中間層處理總線接口與不同的端點之間的數(shù)據(jù)流通。一個端點是數(shù)據(jù)最終的使用者或提供者，它可以看作數(shù)據(jù)的源或接收端。最上層就是USB設備所提供的功能，比如鼠標或鍵盤等。 圖3-1設備層次結(jié)構(gòu)3.1.2 USB的優(yōu)點USB通信有如下幾個優(yōu)點：1.USB為所有的USB外設提供了單一的、易于使用的標準的連接類型。這樣一來就簡化了USB外設的設計，同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應哪個插槽時的任務，實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。2.整個的USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。3.USB支持熱插拔(hot plug)和PNP(Plug-and-Play)，也就是說在不關閉PC 的情況下可以安全的插上和斷開USB設備，計算機系統(tǒng)動態(tài)地檢測外設的插拔，并且動態(tài)地加載驅(qū)動程序。其他普通的外圍連接標準，如SCSI設備等必須在關掉主機的情況下才能插拔外圍設備。4. USB在設備供電方面提供了靈活性。USB直接連接到Hub或者是連接到Host的設備可以通過USB電纜供電，也可以通過電池或者其它的電力設備來供電，或使用兩種供電方式的組合，并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。5.USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率來適應各種不同類型的外設，USB2.0還支持480Mbps的高速傳輸速率。6.為了適應各種不同類型外圍設備的要求，USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸Bulk數(shù)據(jù)、傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸。同步數(shù)據(jù)傳輸可為音頻和視頻等實時設備的實時數(shù)據(jù)傳輸提供固定帶寬。7. USB的端口具有很靈活的擴展性，一個USB端口串接上一個USB Hub就可以擴展為多個USB端口。3.1.3傳輸方式USB有四種的傳輸方式：控制(Control)、同步(isochronous)、中斷(interrupt)、大量(bulk)。如果是從硬件開始來設計整個的系統(tǒng)那還要正確選擇傳輸?shù)姆绞剑鳛橐粋€驅(qū)動程序的書寫者就只需要弄清楚其采用的什么工作方式就行了。通常所有的傳輸方式下的主動權都在PC邊。1.控制(Control)方式傳輸:控制傳輸是雙向傳輸,數(shù)據(jù)量通常較小。USB系統(tǒng)軟件用來主要進行查詢、配置和給USB設備發(fā)送通用的命令。控制傳輸方式可以包括8、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù)，這依賴于設備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)湫偷赜迷谥饔嬎銠C和USB外設之間的端點(Endpoint)0之間的傳輸，但是指定供應商的控制傳輸能用到其它的端點。2.同步(isochronous)方式：傳輸同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間latency)。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時應用中。例如，執(zhí)行即時通話的網(wǎng)絡電話應用時，使用同步傳輸模式是很好的選擇。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳輸次數(shù)。對于同步傳輸來說，即時的數(shù)據(jù)傳遞比完美的精度和數(shù)據(jù)的完整性更重要一些。3.中斷(interrupt)方式：傳輸中斷方式傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸，設備的端點模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的查詢頻率，從1到255ms之間，這種傳輸方式典型的應用在少量的分散的，不可預測數(shù)據(jù)的傳輸。鍵盤、操縱桿和鼠標就屬于這一類型。中斷方式傳輸是單向的并且對于host來說只有輸入的方式。4.大量(bulk)傳輸：主要應用在數(shù)據(jù)大量傳輸和接受數(shù)據(jù)上，同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下，要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。這種類型的設備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳輸完成之后再傳輸和接收數(shù)據(jù)。USB將其有效的帶寬分成各個不同的幀(frame)，每幀通常是1ms時間長。每個設備每幀只能傳輸一個同步的傳輸包。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后，USB的host就對不同的傳輸點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排，用來適應整個的USB 的帶寬。通常情況下，同步方式和中斷方式的傳輸會占據(jù)整個帶寬的90%剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù)。3.2 USB的總線協(xié)議3.2.1總線拓撲結(jié)構(gòu)圖 3-2 USB總線拓撲USB總線的物理連接是一種分層的菊花鏈結(jié)構(gòu)，集線器(hub)是每個星形結(jié)構(gòu)的中心。PC機就是主機和根Hub，用戶可以將外設或附加的Hub與之相連。這些附加的Hub可以連接另外的外設以及下層HubUSB。支持最多5個Hub層以及127個外設。圖3-2描述了USB的物理拓撲結(jié)構(gòu)，從中可以看出每一段的連接都是點對點的。3.2.2 USB的物理層USB的物理接口包括電氣特性和機械特性。USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源，如圖3-3所示。 圖3-3 USB電纜定義 其中，D+和D-是一對差模的信號線，而VBus和GND則提供了+5V的電源，它可以給一些設備(包括Hub)供電，但也要有一定的條件限制。USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率：一種是12Mb的高速(fullspeed)模式，另一種是1.5Mb的低速模式。這兩種模式可以同時存在于一個USB系統(tǒng)中。而引入低速模式，主要是為了降低要求不高的設備的成本，比如鼠標、鍵盤等等。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5m；而在低速模式時中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線，但最長不能超過3m。這主要是由于信號衰減的限制。為了提供信號電壓保證，以及與終端負載相匹配，在電纜的每一端都使用了不平衡的終端負載。這種終端負載也保證了能夠檢測外設與端口的連接或分離，并且可以區(qū)分高速與低速設備。所有的設備都有上行的接口。上行和下行的接頭是不能互換的，這保證了不會有非法的連接出現(xiàn)。插頭與插座有A和B兩個系列，系列A用于基本固定的外圍設備，而系列B用于經(jīng)常拔插的設備，這兩個系列是不能互換的 。3.2.3 USB總線協(xié)議所有總線操作都可以歸結(jié)為三種包的傳輸。任何操作都是從主機開始的，主機以預先排好的時序，發(fā)出一個描述操作類型、方向、外設地址以及端點號的包，我們稱之為令牌包(Token Packet)。然后在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個數(shù)據(jù)包或者指出它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個確認包(Handshake Packet)來作出響應以表明傳輸是否成功。1域的類型同步域(SYNC field)：所有的包都起始于SYNC域，它被用于本地時鐘與輸入信號的同步，并且在長度上定義為8位。SYNC的最后兩位作為一個記號表明PID域(標識域)的開始。標識域(Packet Identifier Field)：對于每個包，PID都是緊跟著SYNC的，PID指明了包的類型及其格式。主機和所有的外設都必須對接收到的PID域進行解碼。如果出現(xiàn)錯誤或者解碼為未定義的值，那么這個包就會被接收者忽略。如果外設接收到一個PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設將不作響應。地址域(Address Field)：外設端點都是由地址域指明的，它包括兩個子域：外設地址和外設端點。外設必須解讀這兩個域，其中若有任何一個不匹配，這個令牌就會被忽略。外設地址域(ADDR)指定了外設，它根據(jù)PID所說明的令牌的類型，指明了外設是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者或接收者。ADDR共6位，因此最多可以有127個地址。一旦外設被復位或上電，外設的地址被缺省為0，這時必須在主機枚舉過程中被賦予一個獨一的地址。而0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址。端點域(ENDP)有4位，它使設備可以擁有幾個子通道。所有的設備必須支持一個控制端點0(endpoint0)。低速的設備最多支持2個端點：0和一個附加端點。高速設備可以支持最多16個端點。幀號域(Frame Number Field)：這是一個11位的域，指明了目前幀的排號，每過一幀(1ms)這個域的值加1，到達最大值XFF后返回0。這個域只存在于每幀開始時的SOF令牌中。數(shù)據(jù)域(Data Field):范圍是01023字節(jié)，而且必須是整數(shù)個字節(jié)。CRC校驗：包括令牌校驗和數(shù)據(jù)校驗。2包的類型令牌包(Token Packed)： 其中包括：IN(輸入)、OUT(輸出)、SETUP(設置)和SOF(Start of Frame，幀起始)四種類型。其中IN、OUT、SETUP的格式如圖3-4所示。圖3-4 IN、OUT、SETUP數(shù)據(jù)格式對于OUT和SETUP來說，ADDR和ENDP中所指明的端點將接收到主機發(fā)出的數(shù)據(jù)包，而對IN來說，所指定的端點將輸出一個數(shù)據(jù)包。Token和SOF在三個字節(jié)的時間內(nèi)以一個EOP(End of Packet)結(jié)束。如果一個包被解碼為Token包但是并沒有在3個字節(jié)時間內(nèi)以EOP結(jié)束，就會被看作非法包或該包被忽略。對于SOF包，它的格式如圖3-5所示。主機以一定的速率(1ms0.05一次)發(fā)送SOF包，SOF不引起任何操作。圖3-5 SOF數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)包：包括Data0和Data1兩種類型。這兩種包的定義是為了支持數(shù)據(jù)觸發(fā)同步。數(shù)據(jù)包包含了PID、DATA和CRC三個域，如圖3-6所示。圖3-6 DATA數(shù)據(jù)格式應答包(Handshake Packet)：僅包含一個如圖3-7所示的PID域。Handshake用來報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。只有支持流控制的傳輸類型（控制中斷和批傳輸）才能返回Handshake。圖3-7 PID數(shù)據(jù)格式Handshake包有三種類型：(1)確認包ACK：表明數(shù)據(jù)接收成功。(2)無效包NAK：指出設備暫時不能傳送或接收數(shù)據(jù)，但無需主機介入，可以解釋成設備忙。(3)出錯包STALL：指出設備不能傳送或接收數(shù)據(jù)，但需要主機介入才能恢復，NAK和STALL不能由主機發(fā)出。特殊包（Special）:PID名稱為PRE（preamble）,用于低速操作的情形 。3.總線操作的格式圖3-8 批操作流程批操作（bulk transaction）：批操作包括令牌、數(shù)據(jù)、應答三個階段，如圖3-8所示。對于輸入操作，如果設備不能返回數(shù)據(jù)，那么必須發(fā)出NAK或STALL包；對于輸出如果設備不能接收數(shù)據(jù)，也要返回NAK或STALL。 圖3-9描述了批操作的讀寫過程以及序列位(sequence bit)和數(shù)據(jù)包PID的使用。圖3-9批操作讀寫過程控制操作(control transaction):主要包括兩個操作階段（transaction stage）:設置和狀態(tài)。圖3-10給出了設置操作的細節(jié)，如果數(shù)據(jù)沒有正確接收，那么設備就會忽略它，而且不返回應答包。圖3-10 控制操作流程控制操作的詳細描述如圖3-11所示，其中我們要注意數(shù)據(jù)包PID的使用。圖3-11控制操作讀寫過程中斷操作（interrupt transaction）：中斷操作只有輸入這一個方向，具體格式與批操作的輸入情形如圖3-12所示。圖3-12中斷操作流程同步操作（isochronous transaction）: 同步操作不同于其他類型，如圖3-13所示，其只包含兩個階段：令牌和數(shù)據(jù)。因為同步傳輸不支持重發(fā)的能力，所以沒有應答階段。另外它也不支持數(shù)據(jù)的觸發(fā)同步與重試。圖3-13同步操作流程4.數(shù)據(jù)觸發(fā)同步與重試USB提供了保證數(shù)據(jù)序列同步的機制，這一機制確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。這一同步過程是通過Data0和Data1的PID以及發(fā)送者與接收者上的數(shù)據(jù)觸發(fā)序列位（data toggle sequence bit）來實現(xiàn)的。接收者的序列位只有當接收到一個正確的數(shù)據(jù)包時(包括正確的PID)才能被觸發(fā)。而發(fā)送者的序列位只有當接收到確認包ACK時才能被觸發(fā)。在總線傳輸?shù)拈_始，發(fā)送者與接收者的序列位必須一致，這是由控制命令來實現(xiàn)的。同步傳輸方式不支持數(shù)據(jù)觸發(fā)同步。圖3-14、圖3-15、圖3-16說明了數(shù)據(jù)觸發(fā)同步的基本原理。圖3-14 數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步一圖3-15數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步二圖3-16數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步三每次總線操作，接收者將發(fā)送者的序列位(被譯碼成數(shù)據(jù)包PID的一位，即Data0或Data1)與本身的相比較。如果數(shù)據(jù)不能接收，則必須發(fā)送NAK。如果數(shù)據(jù)可以被接收，并且兩者的序列位匹配，則該數(shù)據(jù)被接收并且發(fā)送ACK，同時接收者的序列位被觸發(fā)。如果數(shù)據(jù)可以被接收，但兩者的序列位不匹配，則接收者只發(fā)出ACK而不進行其它操作。對于發(fā)送者來說，在接收到NAK時或在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到ACK，則將上一次的數(shù)據(jù)重發(fā)。5低速操作Hub具有禁止高速信號進入低速設備的能力，這既防止了電磁干擾的發(fā)生，又保護了低速設備。圖3-17是一次低速的輸入操作，主機發(fā)送令牌與應答包并且接收了一個數(shù)據(jù)包。圖3-17 低速方式的輸入操作所有下行的低速傳輸?shù)陌?，必須先發(fā)送一個PRE包。Hub必須解釋PRE包，而所有其它的USB設備必須忽略這個包。主機在發(fā)送完PRE包后，必須等待至少4位的時間，而在這個期間，Hub完成必要的設置，使之能接收低速的信號。在接收到EOP信號之后，Hub關閉低速設備的端口。上行的操作則沒有上述的行為，低速與高速是一樣的。 低速操作還有其它的限制：(1)數(shù)據(jù)包最大限制為8個字節(jié)。(2)只支持中斷和控制傳輸方式。6.錯誤檢驗與恢復 USB具有檢查錯誤的能力，并且可以根據(jù)傳輸類型的要求進行相應的處理。例如，控制傳輸?shù)男枰芨叩臄?shù)據(jù)準確度，因此支持所有錯誤檢驗與重試來實現(xiàn)端對端的數(shù)據(jù)完整傳輸。而同步傳輸不允許重試，因此必須具有一定的容錯性。USB這種檢查錯誤的能力包括：PID檢驗、CRC檢驗、總線時間溢出以及EOP錯誤檢驗等等。第4章 PC與單片機通過USB的通信設計 4.1 設計方案選擇由于實際應用中單片機在數(shù)據(jù)處理能力、人機交互等方面往往不能滿足要求, 因而通常用PC來彌補單片機的這些不足。例如,在工程應用中,常常由一臺PC機和一臺單片機構(gòu)成主從式計算機測控系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中, 以單片機為核心的智能測控儀表(從機)作為現(xiàn)場測控設備, 完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制各種任務, 同時將數(shù)據(jù)傳給PC機(主機),PC機將這些數(shù)據(jù)加工處理后,進行顯示、打印報表等。PC機也可以將各種控制命令傳送給單片機, 干預單片機系統(tǒng)的運行, 從而發(fā)揮PC機的優(yōu)勢。要實現(xiàn)這樣的功能, 就涉及到PC機與單片機之間的通信問題?，F(xiàn)在的計算機提供了各種各樣的串口，他們支持不同的通信協(xié)議，有著不同的功能。目前計算機提供的串口有RS-232，RJ45，USB2.0等。4.1.1 PC機同單片機通信存在的問題目前，51單片機同PC機的通信在大多數(shù)情況下仍然是使用RS-232(DB-9)串口作為通信接口實現(xiàn)的。而隨著USB接口技術的成熟和使用的普及，由于USB 接口有著一系列RS-232(DB-9)串口無法比擬的優(yōu)點，RS-232(DB-9)串口正在逐步的為USB接口所替代。而在現(xiàn)在的大多數(shù)筆記本電腦中，出于節(jié)省物理空間和用處不大等原因，RS-232(DB-9)串口已不再設置，這就約束了基于RS-232(DB-9)串口與PC 機聯(lián)絡的單片機設備的使用范圍。4.1.2 USB接口同RS-232(DB-9)串口的比較 通過USB 接口和RS-232(DB-9)的比較，不難發(fā)現(xiàn)：（1）USB 接口支持即插即用和熱插拔，而RS-232(DB-9)串口不支持即插即用和熱插拔，設備安裝后需重啟計算機方可使用。（2）USB 接口的傳輸速率較快，可達480Mbps(V2.0)，而RS-232(DB-9)串口的最高速率僅為19200 波特。（3）USB 接口占用體積較小，插拔方便；而RS-232(DB-9)串口的的插拔需要使用改錐，且在機箱后操作，比較麻煩。綜上可知，USB 接口取代RS-232(DB-9)串口的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。另外在本設計中選擇使用的單片機是AT8C951。AT89C51是一種低功耗、高性能的8位單片微型計算機,它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度NVRAM(非易失性隨機存儲器) 技術, 片內(nèi)帶有一個4KB 的FLASH FPROM(可擦除、可編程只讀存儲器) , 作為INTEL8051的換代產(chǎn)品, 其輸出引腳和指令系統(tǒng)與MCS-51 完全兼容。由于AT89C51單片機具有集成度高、面向控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點, 因而在智能化儀器儀表、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量等方面有著廣泛的應用。4.1.3 USB轉(zhuǎn)接芯片的選擇目前常用的USB 轉(zhuǎn)接芯片包括PL2303，CH341，CP2101，F(xiàn)T232等。在綜合考慮了各方面因素后，CH341成為了本次電路設計的首選芯片。CH341是南京沁恒電子公司生產(chǎn)的USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供異步串口，打印口，并口及常用的2 線和4線等同步串行端口。其特點有：（1）提供全速USB 設備借口，兼容USB2.0，外圍設備只需要晶體和電容；（2）可通過外部的低成本串行EPROM 定義廠商ID，產(chǎn)品ID，序列號等；（3）成本低廉，可直接轉(zhuǎn)換原串口外圍設備；（4）采用SOP-28封裝，串口應用還提供小型的SSOP20封裝。正是由于在PC機同單片機通信電路中，USB轉(zhuǎn)接芯片CH341 具有以上其他芯片無法比擬的優(yōu)點，同時價格低廉并且提供中文技術支持，因此它成為了本電路USB轉(zhuǎn)接芯片的最優(yōu)選擇。本電路采用的是SSOP-20封裝的CH341T，其引腳圖如圖4-1所示。圖4-1 CH341T 引腳圖4.2硬件設計4.2.1硬件電路設計CH341T提供全速USB設備接口，兼容USB2.0，外圍器件只需要電容和晶體，電路如圖4-2 所示。圖4-2 USB 通信模塊電路圖其中，電源電壓為5V，USB接口的差分數(shù)據(jù)線對與CH341T的UD-和UD+直接相連。CH341T提供TTL電平，同AT89C51直接采用簡單的3線連接（RXDTXD;TXDRXD;GNDGND）。在5V電源的情況下，V3口需要外接0.01uF的退耦電容。TEN#為串口發(fā)送數(shù)據(jù)使能端，低電平有效。CH341T必須使用12Mhz晶振，否則無法正常工作。為保證單片機能夠產(chǎn)生與計算機匹配的波特率，單片機采用11.0592Mhz的晶振。4.2.2硬件驅(qū)動程序安裝在網(wǎng)站/download/index.htm可下載CH341T 驅(qū)動程序CH341SER.EXE，在確認驅(qū)動程序和硬件電路無誤后，打開驅(qū)動程序。彈出安裝對話框后選擇INSTALL，設備將自動安裝驅(qū)動程序。安裝完成后計算機將提示安裝成功。將硬件電路通過USB接口連接至計算機，計算機自動識別并彈出新硬件安裝對話框，選擇自動安裝，驅(qū)動程序即可成功安裝至計算機。在計算機設備管理器中，可顯示剛剛安裝成功的USB串口。如圖4-3所示。圖4-3 安裝完成后的設備管理器開始USB設置是否為TRUE?檢查設備是否配置調(diào)用I2cWriteRead();發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)結(jié)束處理USB Setup包圖4-4計算機與USB通信處理流程圖4.3通信程序設計4.3.1 PC機與USB通信程序設計圖4-4為計算機與USB通信處理流程圖。部分關鍵代碼如下： void main(void) init_port();/*初始化I/O口*/ init_timer0();/*設置定時器0*/ init_special_interrupts();/*設置中斷*/ D12_DATA = 0xfb02;/*定義數(shù)據(jù)地址*/ D12_COMMAND = 0xfb03;/*定義命令地址*/ D12_DATA = 0x7002;/*定義數(shù)據(jù)地址*/ D12_COMMAND = 0x7003;/*定義命令地址*/ D12_SetDMA(0x0);/*不使用DMA功能*/ bEPPflags.value = 0;/*初始化USB寄存器*/ /*上電復位,USB總線重新連接指令 */ reconnect_USB(); while(TRUE ) if(bEPPflags.bits.configuration) I2cWriteRead();/*如果設備已配置,調(diào)用I2cWriteRead()*/outportb(port,a); /*發(fā)送數(shù)據(jù)usbserve();/*處理USB的setup包*/for(j=0;j9;j+) /*接收數(shù)據(jù)*/ while(!(inportb(port+5)&1); chj=inportb(port); for(j=0;j9;j+) printf(n %dn，chj); getch(); break; 4.3.2單片機通信程序設計為實現(xiàn)單片機同PC機的簡單通信功能，需要通過匯編指令使單片機完成一定的工作來驗證USB接口通信的暢通。若要使單片機串口能夠同PC機正常通信，單片機和USB接口需要使用相同的通信協(xié)議，在設備管理器中，可設置串口破特率為9600。而在單片機中，通過軟件設置串口波特率為9600，工作方式為方式一，每接收一個8 位數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存并回送至計算機，以此來實現(xiàn)對USB通信暢通與否的測試。程序流程圖如圖4-6所示。開始設定定時器和USB工作方式開中斷 等待中斷中斷產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)關中斷回送數(shù)據(jù)開發(fā)送中斷等待數(shù)據(jù)接收完成返回初始狀態(tài)圖4-6 單片機的程序流程圖根據(jù)程序流程圖，單片機的指令代碼如下：ORG DDOOHSTART:MOV TMOD,#20H;定時器T1為方式2MOV TL1，#DFDH;波特率為9600SETB TR1MOV SCON,#50H;串口工作方式1，REN=1SETB ESSETB EA;開中斷SJMP $;等待中斷ORG 0023H;中斷入口地址JNB BI,SBR;RI為1時跳至發(fā)送，為0時說明發(fā)送已完成AJMP START;返回初始狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)接收SBR:AJMP SBR1ORG 0100HSBR1：CLR RIMOV A,ABUF;接收數(shù)據(jù)MOV B1，AMOV SBUF,A;數(shù)據(jù)回送JNB T1，$CLR T14.4 USB通信模塊調(diào)試USB通信模塊的調(diào)試使用串口調(diào)試工具（ComTools），該工具是一款功能強大的串口調(diào)試免費軟件。其主要功能如下：（1）支持COM1COM8 串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，可重復發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；（2）支持HEX 格式數(shù)據(jù)和ASC 格式數(shù)據(jù)的串口發(fā)送和接收；（3）可自定義數(shù)據(jù)格式，校驗位，可自定義數(shù)據(jù)傳輸速率；（4）可自動記錄發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)并保存。使用串口調(diào)試工具可以方便的通過計算機向USB 串口通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并記錄所接收的數(shù)據(jù)。因此，本次USB 通信模塊的調(diào)試使用該串口調(diào)試工具完成PC 機同單片機的通信。打開串口調(diào)試工具。首先選擇串口設置，設置串口為設備管理器中對應的串口（COM1），設置波特率為9600，數(shù)據(jù)長度為8 位，停止位為1 位。在發(fā)送文本框中輸入2 字節(jié)16 進制數(shù)據(jù)，點擊發(fā)送向串口發(fā)送16 進制8 位數(shù)據(jù)。觀察接收文本框，可以發(fā)現(xiàn)，計算機成功接收到單片機回送的8 位數(shù)據(jù)。在清空發(fā)送文本框后，經(jīng)過多次的重復操作觀察確認，每一次都能正確接收數(shù)據(jù)。為了進一步測驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在拔掉USB 通信模塊后重新插入，計算機能夠自動識別串口，重新打開串口調(diào)試工具后仍然能夠正確的發(fā)送和接收。因此，該USB通信模塊的數(shù)據(jù)準確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性都得到了驗證。通過測試，該USB通信模塊基本能達到如下設計要求：（1）通過USB 接口實現(xiàn)串口通信，能夠在USB 接口上完成以往需要使用RS-232(DB9)進行通信的計算機設備的通信；（2）支持熱插拔，驅(qū)動程序一次安裝即可永久使用，不必在每次插拔后重啟計算機；（3）硬件電路簡單，外圍器件少，制作方便，成本低廉；（4）可移植性強，支持絕大多數(shù)型號的單片機；可擴充性好，用戶可根